BRPI0711828A2

BRPI0711828A2 - material compósito e método de produção do mesmo

Info

Publication number: BRPI0711828A2
Application number: BRPI0711828-7A
Authority: BR
Inventors: Andrew Alderson; Kim Lesley Alderson; Graham David Hudson; David Edward Skertchly
Original assignee: Auxetic Technologies Ltd
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2012-01-17
Also published as: US20110064909A1; CA2652996A1; DE602007003077D1; CN102766343A; ATE447595T1; GB0610272D0; AU2008101138B4; JP5108006B2; CA2652996C; ES2340629T3; EP1989249A1; AU2008101138A4; SI1989249T1; DK1989249T3; ZA200809544B; AU2007253060A1; US20110281481A1; RU2011125685A; EP2157121A1; RU2430119C2

Abstract

MATERIAL COMPóSITO E MéTODO DE PRODUçãO DO MESMO. Um material compósito compreende uma camada de fibras co-unidas a uma matriz, onde uma das matrizes e fibras compreende um primeiro componente que exibe comportamento auxético para carga ao longo de uma primeira direção, e a outra matriz e fibras compreendem um segundo componente que exibe comportamento não auxético para carga ao longo da primeira direção.

Description

MATERIAL COMPÓSITO E MÉTODO DE PRODUÇÃO DO MESMO

A presente invenção relaciona-se a um material compósito e a um método para sua produção.

Um material compósito é tradicionalmente considerado para ser um sistema de material composto de uma mistura ou combinação de dois ou mais micro- ou macro- constituintes que diferem em forma e composição química e que são essencialmente insolúveis entre si. Os compósitos são importantes porque eles possuem propriedades que são superiores às propriedades de seus constituintes individuais. Os sistemas compósitos podem ser sistemas poliméricos, metálicos ou de base cerâmica, ou alguma combinação destas classes de materiais. Recentemente, os compósitos foram desenvolvidos possuindo constituintes de alta e baixa temperatura de fusão do mesmo polímero, e compósitos contendo constituintes em nanoescala (os assim chamados nanocompósitos) foram também desenvolvidos.

Em compósitos poliméricos, tipicamente os materiais de reforço incluem vidro, carbono, aramida, boro, carbeto de silício e oxido de alumínio em uma variedade de formar incluindo fibras contínuas, fibras cortadas curtas, estruturas de tecido têxtil e inclusões esféricas. Fibras poliméricas que ocorrem naturalmente, tal como cânhamo e celulose, são também usadas como materiais de reforço. Materiais de matriz polimérica comuns incluem polímeros de termofixação tais como poliéster insaturado, resinas epóxi, resinas fenólicas e poliimidas, e polímeros termoplásticos tal como polipropileno, poliamida, policarbonato, poliacetóis, polieteretercetona (PEEK), tereftalato de polietileno (PET), sulfeto de polifenileno (PPS), polietersulfona (PES) polieterimida (PEI), e tereftalato de polibutileno (PBT).

Em compósitos cerâmicos, materiais de reforço tipicamente incluem carbeto de silício, nitreto de silício, carbeto de boro, nitreto de alumínio, diboreto de titânio e nitreto de boro em uma variedade de formas incluindo fibras tipo cabo de monofi lamento e multif i lament os, fibras "whiskers", tipo plaquetas e particuladas. Materiais de matriz cerâmica comuns incluem alumina, sílica, mulita, aluminossilicato de bãrio, aluminossilicato de lítio, aluminossilicato de cálcio, carbeto de silício, nitreto de silício, carbeto de boro e nitreto de alumínio.

Nos compósitos da matriz de metal, materiais de reforço tipicamente incluem tungstênio, berílio, titânio, molibdênio, boro, grafite (carbono), alumina, carbeto de silício, carbeto de boro e alumina-sílica em uma variedade de formas incluindo fibras contínuas, fibras descontínuas, fibras "whiskers", particuladas e fios. Materiais de matriz de metal comuns incluem ligas e superligas de alumínio, titânio, magnésio, ferro e cobre.

Materiais compósitos estão tipicamente na forma de laminados, isto é, eles não compostos de várias camadas (lâminas), cada uma contendo comprimentos contínuos de fibras de reforço unidirecionais incrustadas na matriz. As propriedades mecânicas são otimizadas pela escolha da seqüência de empilhamento de orientação para uma aplicação específica.

Sabe-se bem que as propriedades dos materiais compósitos poliméricos avançados que são curados durante a fabricação a temperaturas elevadas (tipicamente de 120 a 190°C) são degradadas pelo estresse residual induzido no compõsito à medida que os constituintes, isto é matriz e reforço, encolhem a taxas diferentes durante o resfriamento até temperaturas ambientes (tipicamente de 20 a 30°C).

É também bem conhecido que, à medida que um compõsito avançado aquece e resfria-se, o estresse interno irá fazer com que a forma das estruturas do compósito distorça-se.

Em uma tentativa de reduzir esta distorção, pode-se introduzir camadas adicionais de materiais que são posicionados fora do eixo em relação ao reforço. Este processo é conhecido como balanceamento. Entretanto, isto possui o efeito de produzir laminados em que as propriedades mecânicas podem não ser otimizadas, aumenta tempo e custo no estágio de produção e também aumenta o peso do componente.

Um método alternativo tem sido combinar tanto o coeficiente positivo quanto o coeficiente negativo de materiais de expansão térmica (CTE) dentro do mesmo compósito a fim de alcançar, em média, a expansão térmica igual a zero ou baixa desejada do compósito total. Exemplos em relação a este último incluem fibras de carbono de CTE axiais negativas dentro de uma matriz de éster cianato de CTE positiva para uso em alojamentos para satélites para manter o tamanho e a forma de lançamento de alta temperatura a condições espaciais de baixa temperatura. Um material de aramida não tecido (CTE negativo) é usado para reforçar resina de termofixação de CTE positivo (por exemplo, epóxi) para produzir substratos de CTE baixo ou igual a zero para uso em placas de circuito impresso.

Partículas de quartzo cristalino (CTE negativo) são usadas dentro do quartzo vítreo (CTE positivo) para produzir material compôsito de CTE baixo ou igual a zero para substratos de grandes espelhos de telescópio e giroscópios a laser em aeronaves. Empacotamento e suportes de tungstato de zircônio de CTE negativo são combinados com fibra de sílica de CTE positivo para produzir dispositivos de grade de Bragg em fibra de CTE baixo ou igual a zero apresentando comprimento de onda refletido constante sobre uma ampla faixa de temperaturas para uso em sistemas optoeletrônicos.

Entretanto, a combinação de materiais de CTE negativo e positivo possui várias desvantagens; estas incluem: a) uso limitado uma vez que há uma relativa carência de materiais de CTE negativo possuindo a faixa apropriada de outras propriedades físicas para aplicações especificas; b) nos sistemas de laminados, há uma tendência a aumentar o cisalhamento interlaminar; e c) o aumento inevitável no peso e processamento do compôsito devido à adição do material de CTE negativo. Estas considerações levam a um custo aumentado do material compôsito final.

Portanto, é desejável fornecer um material compôsito cujos componentes compreendam materiais possuindo taxas diferentes de expansão a fim de minimizar qualquer distorção do material que resulte do aquecimento e resfriamento do material. Além disso, é desejável que os materiais componentes devem ter uma faixa apropriada de propriedades físicas a fim de que os materiais compósitos possam ser amplamente usados. É também desejável ser capaz de conjugar o material compôsito a suas estruturas adjacentes ou a outros materiais compósitos a fim de melhorar a performance das junções (sendo mecânicas ou unidas) entre os vários componentes de um material compôsito ou estrutura da qual um material composto forma a peça.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um material compósito compreendendo uma camada de fibras conjugadas a uma matriz, onde uma entre matriz e fibras compreende um primeiro componente que exibe comportamento auxético para carregamento ao longo de uma primeira direção, e a outra entre matriz e fibras compreende um segundo componente que exibe um comportamento não auxético para carregamento ao longo da primeira direção.

O comportamento auxético é definido por uma relação de Poisson, medida em uma direção particular com relação ao material, que é negativa (menor que zero) . Como um resultado, quando o material é estirado naquela direção pela aplicação de uma carga tênsil, o material expande-se transversalmente para aquela direção. De forma correspondente, quando comprimido naquela direção, o material contrai-se transversalmente para aquela direção. Similarmente, comportamento não auxético é definido por uma relação de Poisson que é positiva (maior que zero).

Será compreendido que o termo "primeira direção" é aquela em que a carga tênsil é aplicada, e portanto a direção para qual o comportamento auxético é definido pela relação de Poisson.

Será compreendido que o termo "módulo de Young" é conhecido na técnica e é uma medida de rigidez. B definido como a relação, para pequenas forças, da taxa de mudança de estresse com a força. Se o módulo de Young é o mesmo em todas as direções para um material, o material é referido como sendo isotrõpico. Os materiais em que o módulo de Young muda dependendo em que direção a força é aplicada são chamados de anisotrópicos. A unidade SI do módulo de Young é Pascal (Pa), ou alternativamente kN/mm2, que fornece o mesmo valor numérico de gigapascal.

Será compreendido que o termo "Coeficiente de Expansão Térmica" é conhecido na técnica e refere-se a uma mudança em uma dimensão do material devido a uma mudança na temperatura. Será compreendido que os materiais que possuem um coeficiente de expansão positivo irão de expandir quando aquecidos, e se contrairão quando resfriados. Algumas substâncias possuem um coeficiente de expansão negativo, e irão se expandir quando resfriado (por exemplo, água congelada).

A camada de fibras pode ser incrustada na matriz, parcialmente incrustada na matriz, ou pode formar uma camada separada em contato com a matriz.

A camada de fibras pode ter qualquer construção adequada; por exemplo, ela pode compreender maços de fibras unidirecionais, ou uma malha tecida, tricotada ou não tecida. Preferivelmente, a camada de fibras compreende fibras unidirecionais ou uma malha tecida, tricotada ou não tecida. Mais preferivelmente, a camada de fibras compreende fibras unidirecionais.

Onde a camada de fibras compreende fibras unidirecionais, preferivelmente a primeira direção, ao longo da qual o carregamento é aplicado para avaliação do comportamento auxético, é paralela à direção das fibras.

Para evitar dúvidas, um dos dois ou ambas as fases (fibra e matriz) do material compõsito pode(m) compreender o primeiro componente, o segundo componente, ou ambos, primeiro e segundo componente.

Em uma modalidade preferida, a camada de fibras compreende o primeiro componente e a matriz compreende o segundo componente. Também preferivelmente, o material compõsito compreende uma camada de fibras, algumas das quais exibem comportamento auxético para carregamento ao longo de uma primeira direção e algumas das quais exibem comportamento não auxético para carregamento ao longo da primeira direção, incrustado em uma matriz que exibe comportamento não auxético para carregamento ao longo da primeira direção.

Em uma modalidade preferida, os coeficientes de expansão térmica do compósito, medido paralelo e perpendicular à primeira direção, são substancialmente iguais.

A fim de controlar a relação entre os coeficientes de expansão térmica do compósito longitudinal (isto é, medido paralelo à primeira direção) e transverso (isto é, medido perpendicular à primeira direção), é necessário selecionar os materiais do compósito possuindo certos valores de coeficiente de expansão térmica, relação de Poisson e módulo de Young, e para controlar a fração de volume do compósito ocupada por cada material.

Em uma modalidade alternativa, as fibras compreendem o segundo componente, e a matriz compreende o primeiro componente.

Preferivelmente, o coeficiente de expansão térmica do segundo componente é menor que aquele do primeiro componente, ambos medidos em uma direção paralela à primeira direção. Preferivelmente, o coeficiente de expansão térmica do segundo componente, medido em uma direção paralela à primeira direção, é menor que 1 χ IO"5 K"1. Preferivelmente, o coeficiente de expansão térmica do primeiro componente, medido em uma direção paralela à primeira direção, é maior que 5,4 χ 10"5 K"1.

Preferivelmente, a fração de volume do segundo componente está entre 60 e 70%, e mais preferivelmente é de 62%. Preferivelmente, a fração de volume do primeiro componente é menor que 40%, mais pref erivelmente entre 15 e 25%, e ainda mais preferivelmente é de 19%.

Preferivelmente, o compósito adicionalmente compreende um material de matriz que exibe comportamento não auxético para carregamento ao longo da primeira direção.

Preferivelmente, a fração de volume do componente da matriz não auxético é menor que 4 0%, mais pref erivelmente entre 15 e 25%, e ainda mais preferivelmente é de 19%.

A fração do volume do primeiro componente e do material da matriz pode ser pref erivelmente de 38% no total, na modalidade onde o material da matriz e do primeiro componente são constituintes da fase da matriz.

Por exemplo, em uma modalidade, o compósito compreende:

um componente fibroso unidirecional não auxético possuindo uma fração de volume de 0,62, uma relação de Poisson axial de + 0,2, uma relação de Poisson transversa de + 0,28, um módulo de Young axial de 230 GPa, um módulo de Young transverso de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica axial de -6 χ 10"7 K"1, e um coeficiente de expansão térmica transverso de 7 χ 10"6 K"1;

um componente de matriz não auxético possuindo uma fração de volume de 0,19, uma relação de Poisson isotrópica de + 0,38, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ 10"5 K"1, e

um componente de matriz auxético possuindo uma fração de volume de 0,19, uma relação de Poisson isotrópica de -2, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 9,61 χ IO"5 Κ"

o referido compósito possuindo um coeficiente de expansão térmica igual a zero, tanto paralelo quanto perpendicular à direção das fibras.

Em uma modalidade alternativa, a fração de volume do segundo componente está entre 60 e 70%, e mais preferivelmente é de 62%. A fração de volume do primeiro componente pode ser preferivelmente menor que 4 0%, mais preferivelmente menor que 10%, e ainda mais preferivelmente é de 3,5%.

Preferivelmente, o compósito adicionalmente compreende um material de matriz que exibe comportamento não auxético para carregamento ao longo da primeira direção. A fração de volume do componente da matriz não auxético está entre 4 0% e 30%, e ainda mais preferivelmente é de 34,5%.

A fração do volume do primeiro componente e do material da matriz pode ser preferivelmente de 3 8% no total, na modalidade onde o material da matriz e do primeiro componente são constituintes da fase da matriz.

Por exemplo, em uma modalidade alternativa, o compósito compreende:

um componente fibroso unidirecional não auxético possuindo uma fração de volume de 0,62, uma relação de Poisson axial de + 0,2, uma relação de Poisson transversa de + 0,28, um módulo de Young axial de 230 GPa, um módulo de Young transverso de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica axial de -6 χ IO"7 K"1, e um coeficiente de expansão térmica transverso de 7 χ IO"6 K"1;

um componente de matriz não auxético possuindo uma fração de volume de 0, 3455, uma relação de Poisson isotrópica de + 0,38, um módulo de Young isotrõpico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ IO"5 K"1, e

um componente de matriz auxético possuindo uma fração de volume de 0,0345, uma relação de Poisson isotrópica de -4, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 2,86 χ IO"4 K"1;

0 material auxético pode, portanto, ser usado para controlar a capacidade de expansão térmica de um material compósito.

Se desejar estar preso pela teoria, acredita-se que, durante a cura do material compósito do segundo aspecto da presente invenção, os primeiro e segundo componentes tornam-se ligados dentro do compósito. A força induzida no material auxético (o primeiro componente) à medida que o material compósito muda a temperatura, incluindo mudanças na temperatura que cresce durante o processamento, faz com que o componente auxético expanda-se e contraia-se transversalmente à primeira direção, em oposição à contração e expansão dos materiais não auxéticos. À medida que as forças térmicas são induzidas no compôsito, a expansão e contração do componente auxético e componentes não auxéticos permanecem em equilíbrio criando um material compósito possuindo nenhum coeficiente de expansão ou uma taxa controlada de expansão de acordo com a proporção e distribuição do material auxético dentro do compósito.

Modalidades particulares dos materiais compõsitos da presente invenção podem também exibir uma ou mais das seguintes vantagens:

a) coeficientes de expansão térmica igual nas direções longitudinal e transversal (isto é, paralelo e perpendicular à primeira direção);

b) onde os materiais compósitos da presente invenção estão na forma de laminados, uma redução no número de camadas de material exigido, em relação a um material compósito laminado contendo nenhum componente auxético, como um resultado da remoção da dependência direcional do comportamento de expansão térmica no compósito laminado contendo o componente auxético;

c) níveis reduzidos de estresses residuais em relação aos materiais compósitos do estado da técnica;

d) remoção da necessidade por camadas de equilíbrio separadas, conferindo vantagens de desenho tal como análise de desenho reduzida, opções de desenho adicionais, performance de compósito melhoradas e massa de compósito reduzida; e) distorção reduzida durante o processo de resfriamento; e

f) performance melhorada das junções entre os materiais compósitos da presente invenção e os materiais adjacentes possuindo taxas de que expansão, em relação a tais junções para materiais carecendo um componente auxético. 0 melhoramento é devido à capacidade de conjugar o comportamento de expansão térmica do compósito aos materiais adjacentes através da adição do componente auxético dentro do material compósito ou dentro de uma camada intermediária, tal como um adesivo em filme, entre o compósito e os materiais adjacentes.

Uma variedade de materiais auxéticos foi relatada, incluindo espumas termoplásticas auxéticas (poliéster- uretana), de termofixação (borracha de silicone) e metálicas (cobre) (Friis, Ε. A., Lakes, R. S. & Park, J. B., J. Mater. Sei. 1988, 23, 4406); cilindros poliméricos microporosos termoplásticos auxéticos (polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE), polipropileno (PP) e náilon) (Evans, Κ. E. & Ainsworth, K.L., Pedido de Patente Internacional de número WO 91/01210, 1991; Alderson, K. L. & Evans, K. E., Polymer, 1992, 33, 4435-8; Pickles, A. P., Alderson, K. L. & Evans, K. E., Polymer Engineering and Science, 1996, 36, 636-42; Alderson, K. L., Alderson, A., Webber, R. S. & Evans, K. E., J. Mater. Sei. Lett., 1998, 17, 1415-19), monofilamentos (PP, náilon e poliéster) (Alderson, K. L., Alderson, A., Smart, G., Simkins, V. R. & Davies, P. J., Plastics, Rubber and Composites 2002, 31(8), 344; Ravirala, N., Alderson, A., Alderson, K. L. & Davies, P. J., Phys. Stat. Sol. B 2005, 242(3), 653) e filmes (PP) (Ravirala, N., Alderson, Α., Alderson, Κ. L. & Davies, P. J., Polymer Engineering and Science 45(4) (2005) 517), polímeros que ocorrem naturalmente (celulose cristalina) (Peura, M., Grotkopp, I., Lemke7 H., Vikkula, A., Laine, J., Muller, M. & Serimaa, R., Biomacromolecules 2006, 7 (5), 1521 and Nakamura, K., Wada, M., Kuga, S. & Okano, T. J Polym Sci B Polym Phys Ed 2004/42, 1206) , laminados compôsitos (epóxi reforçado com fibra de carbono, epóxi reforçado com fibra de vidro e epóxi reforçado com aramida) (Alderson, K. L., Simkins, V. R., Coenen, V. L., Davies, P. J., Alderson, A. & Evans, K. E., Phys. Stat. Sol. B 242(3) (2005) 509), certos compostos policristalinos supercondutores com cuprato de bismuto (Dominec, J., Vasek, P., Svoboda, P., Plechacek, V. & Laermans, C, Modern Physics Letters B, 1992, 6, 1049-54), 69% do metais elementares cúbicos (Baughman, R. H., Shacklette, J. M., Zakhidov, A. A. & Stafstrom, S., Nature, 1998, 392, 362-5), e polimorfos que ocorrem naturalmente de silica cristalino (α-cristobalita e α-quartzo) (Yeganeh-Haeri, Y., Weidner, D.J. Sc Parise, J. B., Science, 1992, 257, 650-2; Keskar, N. R. & Chelikowsky, J. R., Phys. Rev. B 48, 16227 (1993)). Relações de Poisson tão baixas quanto -12 foram medidas nos polímeros auxéticos (Caddock, B. D. & Evans, K. ., J. Phys. D: Appl. Phys., 1989, 22, 1877-82), indicando que forças transversais muito grandes (sobre uma ordem de magnitude maior que a força longitudinal aplicada) são possíveis.

Fibras adequadas (materiais de reforço) em compósitos poliméricos são amplamente conhecidas no campo e podem compreender fibras contínuas, fibras cortadas curtas, estruturas de tecido têxtil e inclusões esféricas feitas de vidro, carbono, aramida, boro, carbeto de silício e oxido de alumínio. Qualquer combinação das referidas fibras e formas pode ser usada. Nanofibras e nanotubos podem também formar fibras adequadas para uso com a presente invenção. É reconhecido, claramente, que outros materiais poliméricos, metálicos ou cerâmicos alternativos àqueles identificados acima poderão ser incluídos como fibras, como será facilmente aparente àqueles habilitados na técnica.

O material da matriz da presente invenção pode compreender um ou mais materiais poliméricos. 0 material da matriz pode compreender polímeros de termofixação, polímeros termoplãsticos ou tanto os polímeros de termofixação quanto os polímeros termoplãsticos. Exemplos de polímero de termofixação adequados são bem conhecidos daqueles habilitados na técnica e incluem qualquer um dos seguintes ou sozinho ou em combinação: resinas epóxi, resinas de poliéster insaturado, resinas fenólicas e poliimidas. Exemplos adequados de polímero termoplástico são bem conhecidos daqueles habilitados na técnica e incluem qualquer um dos seguintes ou sozinho ou em combinação: polipropileno, poliamida, policarbonato, poliacetóis, polieteretercetona (PEEK), tereftalato de polietileno (PET), sulfeto de polifenileno (PPS), polietersulfona (PES) polieterimida (PEI), e tereftalato de polibutileno (PBT).

0 material da matriz pode também compreender um ou mais componentes adicionais que podem incluir qualquer um dos seguintes ou sozinho ou em combinação: agentes de cura, aceleradores, pigmentos, amaciantes, retardantes de chama e agentes de enrijecimento. Os componentes adicionais podem ser de natureza orgânica (incluindo poliméricos), inorgânica (incluindo cerâmicos) ou metálica.

Os componentes adicionais são adicionados com as propriedades desejadas do material compósito em mente.

O componente auxético da presente invenção pode ser incorporado em fibras por meio de monofilamentos e muitifilamentos auxéticos e/ou pode ser incorporado no material da matriz.

Os monofilamentos e multifilamentos auxéticos podem ser incorporados na forma de fibras contínuas, fibras cortadas curtas ou estruturas de tecido têxtil.

A forma na qual o componente auxético é incorporado no material da matriz depende da natureza do material compósito desejado.

Por exemplo, os materiais auxéticos divididos finamente podem ser adicionados à matriz na forma de uma carga. Os agregados policristalinos de α-cristabalita são adequados para incorporação na matriz desta forma. A carga auxética pode também ser um material cerâmico alternativo, um polímero ou um metal. O caráter auxético pode também ser incorporado em um material compósito trabalhando-se o efeito auxético a nível molecular dentro da própria matriz. Exemplos de materiais de nível molecular auxéticos incluem polímeros cristalinos líquidos (He, C, Liu, P. & Griffin, A.C., Macromolecules, 31, 3145 (1998)), celulose cristalina, metais elementares cúbicos, zeólitos, a- cristabalita e a-quartzo.

Resinas termoplásticas e/ou de termofixação auxéticas são conhecidas daqueles habilitados na técnica e serão adequadas para uso como o material da matriz na presente invenção.

0 caráter auxético pode ser transmitido aos compósitos de base metálica e cerâmica por meio de materiais metálicos e cerâmicos auxéticos.

Fibras adequadas nos Compósitos de Matriz Cerâmica são amplamente conhecidas no campo e podem compreender fibras tipo cabo de monof ilamento e multif ilamento contínuas, "whiskers", plaquetas e particulados de carbeto de silício, nitreto de silício, carbeto de boro, nitreto de alumínio, diboreto de titânio e nitreto de boro. Qualquer combinação dos referidos materiais e formas pode ser usada. O componente auxético de um Compósito de Matriz Cerâmica pode ser incorporado nas fibras por meio de monofilamentos e muitifilamentos, "whiskers", plaquetas e particulados de cerâmica auxética. Cerâmicas auxéticas conhecidas incluem os polimorfos α-cristabalita e α-quartzo de sílica, nitreto de carbono (Guo, Y. & Goddard III, VI. A., Chem. Phys. Lett,, 1995, 237, 72) e certos compostos de cuprato de bismuto.

Os materiais da matriz em Compósitos de Matriz Cerâmica são bem conhecidos daqueles habilitados na técnica e incluem óxidos tais como alumina, sílica, mulita, aluminossilicato de bário, aluminossilicato de lítio e aluminossilicato de cálcio. Os materiais de matriz cerâmica não óxidos incluem carbeto de silício, nitreto de silício, carbeto de boro e nitreto de alumínio. 0 componente auxético de um Compósito de Matriz Cerâmica pode ser incorporado no material da matriz como, por exemplo, materiais cerâmicos finamente divididos adicionais à matriz na forma de uma carga. Alternativamente, a matriz cerâmica pode ser intrinsecamente auxética. As fibras adequadas nos Compõsitos de Matriz Metálica são amplamente conhecidas no campo e podem compreender fibras contínuas, fibras descontínuas, "whiskers", particulados e fios de tungstênio, berílio, titânio, molibdênio, boro, grafite (carbono), alumina, carbeto de silício, carbeto de boro e alumina-síIica.

Os materiais da matriz em Compósitos de Matriz Metálica são bem conhecidos daqueles habilitados na técnica e incluem ligas e superligas de alumínio, titânio, magnésio, ferro e cobre.

0 componente auxético de um Compósito de Matriz Metálica pode ser incorporado nas fibras por meio de fibras contínuas, fibras descontínuas, "whiskers", particulados e fios de cerâmica auxética ou material metálico. O componente auxético de um Compósito de Matriz Metálica pode ser incorporado no material da matriz como, por exemplo, materiais cerâmicos ou metálicos auxéticos finamente divididos adicionais à matriz na forma de uma carga. Alternativamente, a matriz metálica pode ser intrinsecamente auxética. Cerâmicas auxéticas conhecidas incluem os polimorfos α-cristabalita e α-quartzo de sílica, nitreto de carbono e certos compostos de cuprato de bismuto. Metais auxéticos conhecidos incluem arsênio, cádmio e 69% dos matais elementares cúbicos.

A presente invenção também fornece um método para a preparação de um material compósito descrito aqui.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um método de produção de um material compósito não curado do primeiro aspecto compreendendo misturar: uma camada de fibras, uma matriz não curada, um primeiro componente que exibe comportamento auxético e um segundo componente que exibe comportamento não auxético.

Preferivelmente, onde o material auxético é anisotrópico, o método de acordo com o segundo aspecto também inclui formar o compósito não curado compreendendo o material auxético possuindo a orientação exigida em relação aos outros componentes do compósito.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de produção de um material compósito compreendendo a formação de um material compósito não curado de acordo com o segundo aspecto, e curar o material compósito não curado.

O material auxético usado para os métodos do segundo e terceiro aspecto é selecionado por possuir as propriedades exigidas e usado em uma quantidade exigida. O material compósito não curato do segundo aspecto é curado para se obter um material compósito curado possuindo as capacidades de expansão térmica exigidas.

Em uma modalidade preferida, a matriz impregna a camada de fibras durante a cura.

Um método típico para a preparação de um material compósito curável do primeiro aspecto compreende:

a) dispor o material de fibra-epóxi-auxético de reforço pre-preg de 3 fases em uma tabela de suporte. O pre-preg consiste de fibras de reforço unidirecionais contínuas e fibras auxéticas unidirecionais contínuas em uma matriz de epóxi parcialmente curada.

b) cortar e colocar pedaços da folha pre-preg em camadas umas sobre as outras em uma ferramenta da forma desejada para formar o laminado. As camadas podem ser colocadas em diferentes direções para otimizar as propriedades do compõsito.

c) colocar o laminado construído e a ferramenta em uma bolsa de vácuo, e aplicar um vácuo para remover o ar capturado de parte do compósito.

d) colocar a bolsa de vácuo incluindo o compósito e a ferramenta dentro de uma autoclave para cura da resina epóxi ocorrer. As condições de cura dependem do material epóxi particular empregado. Tipicamente o ciclo de cura dura muitas horas durante as quais o material compósito é tipicamente aquecido a uma temperatura na faixa de 120 a 190°C a uma pressão de tipicamente 350 a 700 kPa.

e) remover a bolsa de vácuo incluindo o compósito e a ferramenta da autoclave, remover o compósito e a ferramenta da bolsa de vácuo, e remover a parte do compósito da ferramenta antes de operações de finalização adicionais.

Alternativamente, um outro método para a preparação de um material compósito curável compreende o seguinte:

a) aplicar um revestimento de gel a um molde aberto.

b) colocar manualmente a fibra de reforço incorporando a fibra auxética no molde. A fibra de reforço e a fibra auxética podem estar na forma de um tecido ou manta.

c) verter, aplicar com pincel ou pulverizar uma resina, tipicamente poliéster, misturada com catalisador e aceleradores sobre e dentro das camadas de fibra de reforço-fibra auxética.

d) usar rodos ou rolos para umedecer as fibras de reforço e fibras auxéticas dentro da resina, e para remover o ar capturado.

e) opcionalmente adicionar camadas de fibra de reforço-fibra auxética adicionais e resina para aumentar a espessura da peça.

f) curar usando-se resinas de cura à temperatura ambiente, e iniciar a cura por um catalisador no sistema de resina, que endurece o compósito sem calor externo.

Alternativamente, é fornecido um método para a preparação de um material compósito curãvel na forma de um cilindro oco compreendendo:

a) passar as fibras de reforço e auxéticas através de um banho de resina.

b) enrolar as fibras de reforço e auxéticas impregnadas com resina em um mandril rotativo.

c) curar quando camadas suficientes forem aplicadas ao componente à temperatura ambiente ou à temperatura elevada em um forno.

d) remover o compósito moldado do mandril.

Alternativamente, um outro método para a preparação de um material compósito curável compreende:

a) dispor o material de fibra-epóxi-auxético de reforço pre-preg de 3 fases em uma tabela de suporte. O pre-preg consiste de fibras de reforço unidirecionais contínuas em uma matriz de epóxi parcialmente curada contendo partículas de carga auxéticas.

b) cortar e colocar pedaços da folha pre-preg em camadas umas sobre as outras em uma ferramenta da forma desejada para formar o laminado. As camadas podem ser colocadas em diferentes direções para otimizar as propriedades do compósito.

a) aplicar um revestimento de gel a um molde aberto.

b) colocar manualmente a fibra de reforço no molde. A fibra de reforço pode estar na forma de um tecido ou manta.

c) misturar uma resina, tipicamente poliéster, incorporando partículas de carga auxética com catalisadores e aceleradores e então verter, aplicar com pincel ou pulverizar sobre e dentro das camadas de fibra de reforço.

d) usar rodos ou rolos para umedecer as fibras de reforço com a resina contendo a carga auxética, e para remover o ar capturado.

e) opcionalmente adicionar camadas adicionais de fibra de reforço e resina contendo carga auxética para aumentar a espessura da peça.

f) usar resinas de cura à temperatura ambiente, e iniciar a cura por um catalisador no sistema de resina, que endurece o compósito sem calor externo. Alternativamente, é fornecido um método para a preparação de um material compósito curável na forma de um cilindro oco compreendendo:

a) passar as fibras de reforço através de um banho de resina contendo partículas de carga auxética dentro da resina.

b) enrolar as fibras de reforço impregnadas com resina contendo carga auxética em um mandril rotativo.

c) curar ou à temperatura ambiente ou à temperatura elevada em um forno quando camadas suficientes forem aplicadas ao componente.

d) remover o compósito moldado do mandril.

Será compreendido que a relação de Poisson, o módulo de Young e o coeficiente de expansão térmica são determinados à pressão atmosférica e à temperatura ambiente (isto é, 20°C), a menos que de outra forma especificado.

É considerado que o material da presente invenção encontrará utilidade nas seguintes aplicações:

a) estruturas compósitas onde uma redução significante de peso ou aumento em performance, tal como capacidade de suportar carga, é desejável e pode ser alcançada pela redução do estresse interno através da introdução de materiais auxéticos no laminado. As aplicações incluem componentes para aeronaves, veículos, veículos off-road, veículos militares, maquinãrio de precisão, barcos, navios e submarinos.

b) Ferramentas compósitas de performance melhorada, incluindo, por exemplo: aplicações de baixo custo onde a cara fibra de carbono pode ser parcialmente substituída por fibra ou carga auxética de baixo custo; precisão melhorada e vida mais longa devido à paridade térmica.

c) Estrutura compósita, contendo materiais (matriz e reforço), que são termicamente combinados devido a curas à temperatura elevada. 0 uso de constituintes auxéticos permite massa reduzida do compõsito, custo reduzido de projeto, performance de projeto melhorada que surge da liberdade de projeto aumentada, e custos e cronograma de produção reduzidos.

d) estruturas compósitas contendo materiais (matriz e reforço) que são termicamente combinados e operados sobre uma faixa de temperatura considerável, incluindo aplicações criogênicas. Estruturas criogênicas tais como tanques de combustível criogênico e componentes e aeronaves irão se beneficiar através de microcraqueamento reduzido como um resultado da redução nos estresses residuais quando incorporando um constituinte auxético dentro do compósito.

e) Estruturas compósitas apresentando estabilidade melhorada para aplicações de estabilidade critica tal como instrumentos óticos, instrumentos de RF e instrumentos de medição. A estabilidade melhorada surge através do microcraqueamento reduzido, disposição equilibrada e impacto reduzido de erros de produção.

f) Estruturas compósitas que exigem comportamento de CTE zerado ou baixo, incluindo alojamentos para satélites para manter o tamanho e a forma do lançamento de alta temperatura às condições espaciais de baixa temperatura; substratos para uso em placas de circuito impressas; estruturas estáveis incluindo bancos óticos; substratos de espelho de grandes telescópios; giroscópios a laser em aeronaves; dispositivos de grade de Bragg em fibra apresentando comprimento de onda refletido constante sobre uma faixa de temperaturas para uso em sistemas optoeletrônicos.

g) Estruturas compósitas que requerem manipulação adicional após o beneficiamento de moldagem por conterem materiais auxéticos no laminado. No estado atual da técnica, a manipulação cria um desequilíbrio no laminado e pode induzir distorção na peça. Isto possui aplicações particulares para a manipulação das superfícies do molde nas ferramentas compósitas.

h) Estruturas compósitas podem ser produzidas com laminados fundamentalmente desequilibrados pela adição de materiais auxéticos ao laminado. Isto terá aplicações em peças que substituem invólucros, ou que podem ser feitas de pré-formas desequilibradas produzidas por processos manuais, processos de tricotagem e/ou de tecelagem.

j) Adicionando-se materiais auxéticos em combinação· com configurações de laminado desequilibrado localizadas, ê: possível produzir áreas locais que possuam um coeficiente diferente de expansão térmica ao componente. Isto pode ser usado para criar áreas adequadas para o ajuste de componentes que possuem um CTE substancialmente diferente, tal como em suportes metálicos.

k) Componentes de custo mais baixo podem ser feitos onde quantidades substanciais do caro reforço de alta performance, tal como fibra de carbono, são substituídos com uma alta proporção de fibra auxética de custo inferior.

l) É bem conhecido daqueles habilitados na técnica que as configurações auxéticas melhoraram a resistência à penetração. Além disso, níveis reduzidos de estresses internos dentro do laminado resultantes da adição de materiais auxéticos irão aumentar a resistência ao impacto e energia absorvida durante a trituração. Isto possui aplicações na produção de armação leve e estruturas de colisão de veículos.

m) Estruturas que distorcem em resposta a alimentações mecânicas, térmicas ou elétricas, conhecidas como estruturas fortes, são úteis para produzir produtos tais como aeronaves de performance superior. A adição de materiais auxéticos a um laminado compósito usado em uma estrutura forte reduz o custo e complexidade do projeto uma vez que os problemas de equilíbrio térmico podem ser ignorados, e permite a otimização e ajuste do laminado para responder à alimentação mecânica, térmica ou elétrica.

A presente invenção será agora descrita também, por meio de exemplo apenas, e com referência aos seguintes desenhos, em que:

A Figura 1 mostra uma representação diagramãtica de um laminado compósito unidirecional de acordo com o estado da técnica;

A Figura. 2 mostra uma representação diagramãtica de um laminado compósito unidirecional de acordo com a presente invenção;

A Figura 3 mostra um gráfico descrevendo coeficientes de expansão térmica como uma função da relação de Poisson da terceira fase, para o laminado da Figura 2;

A Figura 4 mostra um gráfico descrevendo a relação de Poisson e o coeficiente de expansão térmica da terceira fase como uma função da fração de volume da fibra de reforço para o laminado da Figura 2 com frações de volume iguais para a matriz não auxética e terceira fase auxética;

A Figura 5 mostra um gráfico descrevendo a relação de Poisson e o coeficiente de expansão térmica da terceira fase como uma função da fração de volume da fibra de reforço para o laminado da Figura 2 com a fração de volume da terceira fase auxética igual a 10% da fração de volume da matriz não auxética;

A Figura 6 mostra um gráfico descrevendo o comprimento como uma função de tempo para uma fibra de polipropileno auxética passando por um ciclo de aquecimento de 30°C a 80°C e de volta a 30°C;

A Figura 7 mostra um gráfico descrevendo coeficientes de expansão térmica como uma função do módulo de Young da terceira fase para o laminado da Figura 2;

A Figura 8 mostra um Modelo de Elemento Finito (FEM) de um compósito de 3 fases compreendendo uma fase fibrosa de reforço central circundada por uma fase de matriz e uma terceira fase (fibrosa) localizada em cada canto da unidade, repetida;

A Figura 9 mostra um modelo FEM de forças axiais atuando na fase fibrosa de reforço como um resultado do aquecimento do compósito até 120°C;

A Figura 10 mostra um modelo FEM de forças axiais atuando na fase de matriz não auxética como um resultado do aquecimento do compósito até 120°C;

A Figura 11 mostra um modelo FEM de forças axiais atuando a terceira fase como um resultado do aquecimento do compósito até 120°C;

A Figura 12 mostra um modelo FEM de forças transversais (direção z) atuando em uma terceira fase não auxética como um resultado do aquecimento do compósito até 120 °C;

A Figura 13 mostra um modelo FEM de forças transversais (direção z) atuando em uma terceira fase auxética como um resultado do aquecimento do compósito até 120°C;

A Figura 14 mostra um modelo FEM de estresses transversais (direção z) atuando em um compósito de 2 fases (compreendendo uma fase fibrosa de reforço central circundada por uma matriz não auxética) como um resultado do aquecimento do compósito até 150°C; e

A Figura 15 mostra um modelo FEM de estresses transversais (direção z) atuando em um compósito de 3 fases (compreendendo uma fase fibrosa de reforço central circundada por uma matriz não auxética com uma terceira fase) como um resultado do aquecimento do compósito até 150°C.

A Figura 1 mostra um material laminado compósito (1) de acordo com o estado da técnica. O material compósito (1) compreende duas camadas de reforço de fibra de carbono (2) e três camadas de componente de matriz de epóxi (3) . As camadas de reforço de fibra de carbono (2) estão dispostas entre as camadas de componente de matriz de epóxi (3) .

A Figura 2 mostra um material laminado compósito (4) da presente invenção. 0 material compósito (4) compreende camadas de reforço de fibra de carbono (5) , e as camadas de componente de matriz de epóxi (6) . O material compósito também compreende uma camada de componente auxético (7) que está localizada entre as camadas de reforço de fibra de carbono (5) . O seguinte texto também ilustra a presente invenção comparando-se o comportamento de expansão térmica anisotrópica e de estresse residual para os materiais compósitos do estado da técnica do tipo mostrado na Figura 1, e os materiais compósitos da presente invenção do tipo apresentado na Figura 2.

Comportamento de Expansão Térmica

Material Compôsito do Estado da Técnica

Se for admitido que as fibras de reforço (2) do material compôsito (1) da Figura 1 são interfaces intimamente ligadas, então sabe-se que os coeficientes de expansão térmica ao longo e transversais à direção da camada de fibra (2) (Xi) são bem reproduzidos pelas seguintes equações (Kollar, L. P. & Springer, G.S., Mechanics of Composite Structures, Cambridge, páginas 443- 444) :

<formula>formula see original document page 29</formula>

onde:

a1 e a2 são os coeficientes de expansão térmica do material compôsito (1) ao longo e transversal à direção da camada de fibra (2), respectivamente,

Vf e Vm são a camada de fibra (2) e as frações de volume da matriz (3), respectivamente,

Efl e Em são o módulo axial da camada de fibra (2) e o módulo de Young da camada de matriz (3), respectivamente, cifi, Cif2 e são os coeficientes de expansão térmica axial de fibra (2), radial de fibra (2) e da matriz (3), respectivamente, e

Vf2 e vm são as relações de Poisson axial de fibra (2) e da matriz (3), respectivamente.

Usando-se valores típicos dos parâmetros para fibra de carbono como as camadas de fibra (2) e resina epóxi como a matriz (3) (Vf =0,62, Vm = 0,38, Efl S 230 GPa, Em = 3GPa, cifi = -6 x 10"7 K"1, af2 = 7 χ 10"6 K"1, Qm = 5,4 χ 10"5 K"1, vf2 = +0,2 e vm = +0,38), as equações (1) e (2) produzem valores para os coeficientes de expansão térmica do compósito de ax = -1,67 χ 10"7 K"1 e a2 = 3,26 χ 10"5 K"1, claramente demonstrando a natureza anisotrópica da capacidade de expansão térmica do material compósito (1) da Figura 1.

Material Compósito da Presente Invenção

Os modelos analíticos estabelecidos conforme mostrado pelas equações (1) e (2) podem ser estendidos para incluir a presença de uma terceira fase, e os coeficientes de expansão térmica do material compósito de 3 fases (4) da. Figura 2 são fornecidos por:

<formula>formula see original document page 30</formula>

onde:

Va é a fração de volume da terceira fase auxética (7), Ea é o módulo de Young da terceira fase auxética (7), aa é o coeficiente de expansão térmica da terceira fase auxética (7), e

va é a relação de Poisson da terceira fase auxética (7) , com os outros símbolos já definidos para as equações (1) e (2).

Uma ou mais propriedades da terceira fase auxética (7) pode (m) ser variada (s) a fim de alcançar capacidades de expansão térmica iguais ao longo e transversalmente à direção da camada de fibra (5), incluindo a possibilidade de expansão térmica zero (próxima). Por exemplo, assumindo que todas as outras propriedades da terceira fase auxética (7) são as mesmas propriedades da matriz de epóxi (6), e que o epóxi (6) e a terceira fase auxética (7) possuem frações de volume iguais de 0,19 (isto é, a fração de volume da camada de fibra (5) -e 0.62), então capacidades de expansão térmica iguais ou próximas de zero são alcançadas ao longo e transversalmente a direção da camada de fibra (5) escolhendo-se uma terceira fase auxética (7) possuindo uma relação de Poisson próxima a -3. Isto é mostrado na Figura 3 que apresenta a relação de Poisson e coeficiente de expansão térmica da terceira fase auxética (7) como uma função da fração de volume da fibra de reforço (5), onde a fração de volume da terceira fase auxética é igual a 10% da fração de volume da matriz não auxética (6). Os materiais auxéticos poliméricos são conhecidos com relações de Poisson tão baixas quanto -12.

Onde o coeficiente de expansão térmica é zero, tanto ao longo quando transversal à direção da fibra (6), as seguintes relações propõem o coeficiente de expansão térmica e a relação de Poisson da terceira fase (7) :

<formula>formula see original document page 31</formula> A Equação (5) permite que quantidades relativas e propriedades das fases de reforço não auxético (5) e de matriz (6) sejam cuidadosamente selecionadas para comparar o coeficiente de expansão térmica e módulo de Young disponíveis da terceira fase (auxética -7) , e vice versa. A Equação (6) considera a seleção do sinal apropriado e magnitude da relação de Poisson para a terceira fase (7) com base nas proporções e propriedades relativas das fases de reforço não auxético (5) e de matriz (6) e o módulo de Young da terceira fase (7).

O coeficiente de expansão térmica e relação de Poisson da terceira fase (7) são mostrados na Figura 4 como uma função da fração de volume da fase de reforço (5) para as proporções e propriedades dos constituintes conforme definido acima. Para frações de volume de fibra de reforço. (5) realísticas nos sistemas compósitos laminados (4) (Vf = 0,6 a 0,7), o coeficiente de expansão térmica da terceira fase (7) é da ordem de 1 χ IO"4 K"1. A relação de Poisson da terceira fase (7) para Vf na faixa de 0,6 a 0,7 é da ordem de -2.

Alternativamente, pode ser desejável ter uma baixa fração de volume da terceira fase auxética (7) . 0 coeficiente de expansão térmica e a relação de Poisson da terceira fase são mostrados na Figura 5 como uma função da fração de volume da fase de reforço (5) para as propriedades dos constituintes conforme definido acima, com a fração de volume da terceira fase (7) igual a 10% da fração de volume da fase da matriz (6). Para frações de volume de fibra de reforço (5) realísticas nos sistemas de compósito laminado (4) (Vf = 0,6 a 0,7), o coeficiente de expansão térmica da terceira fase (7) é da ordem de 3 χ 10"4 K"1.

A relação de Poisson da terceira fase (7) para Vf na faixa de 0,6 a 0,7 é da ordem de -4.

Os polímeros auxéticos são conhecidos com relações de Poisson na faixa de 0 a -12. Um coeficiente de expansão térmica na faixa de 1 χ 10"4 a 3 χ 10"4 K"1, para frações de volume de fibra auxética altas e baixas respectivamente, é típico de muitos polímeros e corresponde ao coeficiente de expansão medido para fibras de polipropileno auxéticas de 2 χ 10"4 K"1.

A Figura 6 mostra um gráfico descrevendo o comprimento como uma função do tempo para uma fibra de polipropileno auxética passando por um ciclo de aquecimento de 30°C a 80°C e de volta a 30°C. A 80°C, a fibra passa para uma extensão de 0,14 mm de um comprimento inicial de 13 mm a 30°C. Isto corresponde a uma força de 0,01 sobre um aumento de temperatura de 50°C, fornecendo um coeficiente de expansão térmica de 2 χ 10"4 K"1 para a fibra.

Alternativamente, para uma terceira fase auxética (7) possuindo uma relação de Poisson de Va = -0,6 (típico das fibras poliméricas auxéticas relatadas na literatura), com todos os outros parâmetros exceto o módulo de Young como acima, e possuindo frações de volume da terceira fase (7) e da matriz (6) iguais, coeficientes de expansão térmica iguais (mas não zero) são constatados para o material compósito (4) quando o módulo de Young da terceira fase auxética (7) é da ordem do módulo de Young axial da fibra de reforço (carbono) (5). Isto é mostrado pela Figura 7 que é um gráfico dos coeficientes de expansão térmica como uma função do módulo de Young da terceira fase (7) para o material compósito (4) da Figura 2.

Estresses Residuais

A estrutura compósita carbono-epóxi de duas fases (1) mostrada esquematicamente na Figura 1 será tipicamente curada a temperaturas elevadas, e subseqüentemente resfriada até temperaturas ambientes. Durante o resfriamento, a matriz (3) e reforço (2) encolhem a taxas diferentes. Isto dá origem a um estresse mecânico induzido termicamente em cada componente.

Para expansão longitudinal (isto é, ao longo da direção da fibra (2)), a fibra de carbono (6) passa por uma pequena expansão térmica ou contração sob resfriamento devido ao coeficiente de expansão térmica próximo de zero da fibra (2) nesta direção. 0 epóxi (3), por outro lado, possui um grande coeficiente de expansão térmica positivo, e portanto contrai em comprimento. Entretanto, enquanto a interface entre o epóxi (3) e o carbono (2) está intacta, então a fibra de carbono de módulo maior (2) reprime a contração da matriz de epóxi (3) de módulo menor, e portanto a carga térmica é convertida a uma força de tração mecânica na matriz (3). Uma força de tração ao longo da direção da fibra (2) tende a fazer com que o epóxi (3) se contraia transversalmente (devido à relação de Poisson positiva do epóxi), levando a um aumento do estresse residual na interface entre fibra (2) e matriz (3) e portanto uma degradação das propriedades mecânicas do material compósito (1).

Para um material compósito de três fases (4) mostrado esquematicamente na Figura 2, a conversão da força térmica em estresse mecânico nos constituintes tenderá a colocar tanto o epóxi (6) quanto o auxético (7) (terceira fase) sob força de tração na direção da fibra (5) à medida que o compósito (4) resfria. A fase auxética (7) irá expandir na direção transversal como um resultado da relação de Poisson negativa, opondo a tendência do epóxi (6) a contrair. Isto dará origem a uma redução nos estresses residuais dentro do compósito (4), e portanto reduz a degradação das propriedades mecânicas que irão de outra forma ocorrer no compósito de duas fases (1) conforme mostrado na Figura 1.

Similarmente, durante o aquecimento de um compósito de 3 fases (4), a fases da matriz (6), do auxético (7), e do reforço (6) expandem a taxas diferentes. Novamente, a fibra de carbono (5) experimenta pouca expansão térmica ou contração sob aquecimento devido ao coeficiente de expansão térmica próximo de zero da fibra (5) nesta direção. As fases (terceiras) de epóxi (6) e auxético (7), por outro lado, possuem grandes coeficientes positivos de expansão térmica e portanto tentam aumentar de comprimento. Entretanto, a fibra de carbono (5) de módulo superior reprime a extensão da matriz de epóxi de módulo inferior (6) e da fase auxética (7), e portando a carga térmica é convertida a um estresse compressivo mecânico na matriz (6) e fases auxéticas (7) na direção da fibra (5). Como um resultado, grandes forças compressivas se desenvolvem no epóxi (6) e fases auxéticas (7) ao longo da direção da fibra (5), em relação à força axial próxima de zero na própria fibra de carbono (5). Um estresse compressivo ao longo da direção da fibra (5) faz com que o epóxi (6) se expanda transversalmente (devido à relação de Poisson positiva do epóxi (6)) e a fase auxética (7) se contraia na direção transversal (como um resultado da relação de Poisson negativa). Mais uma vez, há uma redução nos estresses residuais dentro do compósito (4), e portanto reduz a degradação das propriedades mecânicas que irão de outra forma ocorrer em um compósito de duas fases (1) conforme mostrado na Figura 1.

Para as figuras de FEM de modelo de elemento finito a seguir (8-15), o padrão mostrado nas figuras identifica áreas de maior força ou estresse compressivo como aquelas correspondentes ao sombreamento mostrado no lado esquerdo do padrão. Áreas de força ou estresse compressivo menor (ou em alguns casos tênsil) são mostradas por sombreamento correspondente aquele do lado direto do padrão.

A Figura 8 mostra um FEM de um material compósito de três fases do tipo mostrado na Figura 2 passando por um aquecimento de 0°C a 12 0°C. A Figura 8 mostra célula unitária (80) de 3 fases usada nas simulações de FEM, a célula unitária (80) compreendendo:

um componente fibroso unidirecional não auxético (81) possuindo uma fração de volume de 0,62, uma relação de Poisson axial de + 0,2, um módulo de Young axial de 230 GPa, um coeficiente de expansão térmica axial de -6 χ 10"7 K"1, e um coeficiente de expansão térmica transverso de 7 χ 10"6 K"1;

um componente de matriz não auxético (82) possuindo uma fração de volume de 0,19, uma relação de Poisson isotrópica de + 0,38, um módulo de Young isotrõpico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ 10"5 K"1, e

um componente fibroso unidirecional de terceira fase (83) possuindo uma fração de volume de 0,19, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, e um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ IO"5 K"1.

As Figuras 9, 10 e 11 mostram FEMs dos componentes individuais constituindo uma célula unitária do tipo mostrado na Figura 8. A Figura 9 mostra um FEM de uma fibra de reforço (90) . A Figura 10 mostra um FEM da matriz (100) , e a Figura 11 mostra um FEM da terceira fase auxética (110). As forças que se desenvolvem sob aquecimento a 120°C ao longo da direção axial (fibra) da fibra de reforço (90), a matriz não auxética (100) e a terceira fase (110) , mostrando claramente as forças compressivas se desenvolvendo na matriz (100) e constituintes da terceira fase (110), e que estas forças são aproximadamente 2 ordens de magnitude maiores que aquelas que se desenvolvem na fase da fibra de reforço (90).

As Figuras 12 e 13 mostram FEMs de forças transversais atuando sobre uma terceira fase não auxética (120 e 13 0) devido ao aquecimento de um material compõsito até 120°C. As forças que se desenvolvem na direção transversal "z" perpendicular à direção axial para as terceiras fases (120 e 130) possuem uma relação de Poisson de +0,38 (isto é, a mesma da fase de matriz não auxética) e -0,6 (isto é, auxético), respectivamente.

As Figuras 12 e 13 mostram claramente que a deformação transversa da terceira fase (120 e 130) depende do sinal da relação de Poisson do material, passando por expansão transversa e contração para constituintes não auxéticos e auxéticos, respectivamente, como um resultado da compressão axial que surge no aquecimento quando comparado à Figura 11.

As Figuras 14 e 15 mostram os estresses transversais (direção "z") que se desenvolvem dentro de um sistema de compósito de duas fases (140) e de três fases (150) sob aquecimento a 150°C.

0 compósito de duas fases (140) usado para a Figura 14 é do tipo mostrado na Figura 1 e, compreende:

um componente fibroso unidirecional não auxético (141) possuindo uma fração de volume de 0,62, uma relação de Poisson axial de + 0,2, um módulo de Young axial de 230 GPa, um coeficiente de expansão térmica axial de -6 χ IO"7 K"1, e um coeficiente de expansão térmica transverso de 7 χ IO"6 K"1; e

um componente de matriz não auxético (142) possuindo uma fração de volume de 0,38, uma relação de Poisson isotrópica de + 0,38, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ IO"5 K"1.

0 compósito de três fases (150) usado para a Figura 15 é do tipo mostrado na Figura 2 e, compreende:

um componente fibroso unidirecional não auxético (151) possuindo uma fração de volume de 0,62, uma relação de Poisson axial de +0,2, um módulo de Young axial de 230 GPa, um coeficiente de expansão térmica axial de -6 χ IO"7 K"1, e um coeficiente de expansão térmica transverso de 7 χ IO"6 Κ" 1; um componente de matriz não auxético (152) possuindo uma fração de volume de 0,19, uma relação de Poisson isotrópica de +0,38, um módulo de Young isotrópico de 3 GPa, um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 5,4 χ 10"5 K"1; e

um componente fibroso unidirecional auxético (153) possuindo uma fração de volume de 0,19, uma relação de Poisson isotrópica de -0,6, um módulo de Young isotrópico de 0,3GPa, e um coeficiente de expansão térmica isotrópico de 8, 5 χ 10"5 K"1.

As Figuras 14 e 15 mostram claramente que uma redução dos estresses compressivos residuais é alcançada no compósito de três fases (150) quando comparado ao compósito de duas fases (140). Isto se dá devido à presença da terceira fase auxética (153).

Um exemplo do melhoramento devido a uma fase auxética em um compósito de multicomponente do tipo mostrado na Figura 2 experimentando uma carga mecânica diretamente aplicada foi demonstrado em testes onde se descobriu que uma única fibra auxética incrustada em resina epóxi requer duas vezes a força e trÊs vezes a energia para extrair a fibra do epóxi em comparação à fibra não auxética equivalente do tipo mostrado na Figura 1. Na atual invenção, o efeito é alcançado não por uma carga mecânica diretamente aplicada, mas através da conversão de força térmica em estresse mecânico durante o resfriamento e/ou aquecimento do compósito.

Método de Fazer o Material Compósito

Exemplo 1

Um sistema de compósito do tipo mostrado na Figura 2 foi preparado compreendendo fibra de polipropileno auxética incrustada em uma matriz de epóxi de cura fria amolecido.

As fibras auxéticas foram produzidas usando-se extrusão a quente de polipropileno em pó grau PB0580 produzido por Plast-Labor S.A. e fornecido por Univar plc. A resina epóxi de cura fria usada era Araldite LY 5052 com endurecedor HY 5084. Ftalato de di-butila foi adicionado à resina como um inibidor para entrecruzamento durante o processo de cura, permitindo-se assim o controle cuidado do grau de entrecruzamento no sistema de compósito produzido final do tipo mostrado na Figura 2.

Exemplo 2

Um sistema de compósito do tipo mostrado na Figura 2 foi preparado compreendendo fibra de polipropileno auxética e fibra de vidro de reforço incrustadas em uma matriz de epóxi de cura fria. As fibras auxéticas foram produzidas usando-se extrusão a quente de polipropileno em pó grau PB0580 produzido por Plast-Labor S.A. e fornecido por Univar plc. A fibra de vidro foi fornecida por PPM Glass. A resina epóxi de cura fria era Araldite LY 5052 com endurecedor HY 5052 fornecido por Huntsman do tipo mostrado na fig 2.

Será claramente compreendido que a invenção não é objetivada para estar restrita aos detalhes das modalidades acima que são descritas por meio de exemplos apenas.

Claims

1. Material compósito (4) caracterizado por compreender uma camada de fibras (5) counidas a uma matriz (6, 7), onde uma das matrizes (6, 7) e fibras (5) compreende um primeiro componente que exibe comportamento auxético para carga ao longo de uma primeira direção, e a outra matriz (6, 7) e fibras (5) compreendem um segundo componente que exibe comportamento não auxético para carga ao longo da primeira direção, onde: o primeiro componente e o segundo componente são selecionados de forma que o compósito (4) apresente um coeficiente predeterminado de expansão térmica paralelo e perpedicular à primeira direção.

2. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de fibras (5) compreende a primeiro componente e a matriz (6, 7) compreende o segundo componente.

3. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de fibras (5) compreende a segundo componente e a matriz (6, 7) compreende o primeiro componente.

4. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a camada de fibras (5) seja embutida na matriz (6, 7) , parcialmente embutida na matriz, ou forma uma camada separada em contato com a matriz.

5. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a camada de fibras (5) compreende fibras unidirecionais ou uma malha tecida, tricotada ou não tecida.

6. Material compósito, de acordo com a reivindicação -5, caracterizado pelo fato de que a camada de fibras (5) compreende fibras unidirecionais, e onde a primeira direção, ao longo da qual a carga é aplicada para avaliação do comportamento auxético, é paralela à direção das fibras.

7. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que os coeficientes de expansão térmica do material compósito, medido paralelo e perpendicular à primeira direção, são substancialmente iguais.

8. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a fração de volume do segundo componente está entre 60 e 70%.

9. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a fração de volume do primeiro componente é menor que 40%.

10. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o material compósito compreende adicionalmente um material de matriz que exibe comportamento não auxético para carga ao longo da primeira direção.

11. Material compósito, de acordo com a reivindicação -10, caracterizado pelo fato de que a fração de volume do material da matriz não auxético é menor que 40%.

12. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o material auxético é selecionado a partir de termoplástico auxético (poliéster uretana), de termofixação (borracha de silicone) e espumas de metal (cobre) , cilindros poliméricos microporoso termoplástico auxetic (polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) , polipropileno (PP) e náilon) , monofilamentos (PP, náilon e poliéster) e filmes (PP) , polímeros que ocorrem naturalmente (celulose cristalina), laminados compósitos (epoxi reforçado com fibra de carbono, epoxi reforçado com fibra de vidro e epoxi reformçado com aramida), e polimorfos que ocorrem naturalmente de sílica cristalina (α-cristobalita e α-quartzo).

13. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o material da matriz compreende um ou mais materiais poliméricos, selecionados a partir de polímeros de termofixação, polímeros termoplásticos, ou ambos os polímeros.

14. Material compósito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o material da matriz também compreende um ou mais componentes adicionais incluindo qualquer um dos seguintes ou sozinhos ou em combinação: agente de cura, acelerador, pigmeno, amaciante, retardante de chama e agente de enrijecimento.

15. Material compósito caracterizado por compreender uma camada de fibras e uma matriz não curada, onde a cura da matriz irá produzir um compósito da reivindicação 1.

16. Material compósito, de acordo com a reivindicação -15, caracterizado pelo fato de que a matriz impregna a camada de fibras durante a cura.

17. Método de produção de um material compósito da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de co-unir a camada de fibras à matriz.