Comportamento de anéis carbono/epóxi produzidos por enrolamento filamentar sob compressão e condicionamento higrotérmico

Abstract

Materiais compósitos possuem excelentes propriedades mecânicas específicas, entretanto, por em geral apresentarem alto grau de anisotropia e complexos modos de falha, o entendimento de sua vida em serviço ainda é um desafio. Esses materiais apresentam um comportamento dependente do tempo, principalmente quando estão submetidos a carregamentos transversais, com uma resposta viscoelástica dependente do tempo, da temperatura, do tipo de carregamento e da carga aplicada. Dentro deste contexto, esse trabalho visa avaliar à curto e longo-prazo o comportamento em compressão e condicionamento higrotérmico de anéis de carbono/epóxi fabricados por enrolamento filamentar. Cilindros com diâmetros de 50,8 mm e 136 mm, ambos com ângulos de enrolamento [±60], [±75] e [±90], e empilhamentos [±60/±90], [±75/±90] e [±90/±90] foram fabricados e analisados. Para a realização dos ensaios de compressão sob condicionamento higrotérmico, foi projetado e construído um equipamento dedicado. Esses ensaios foram executados a partir do carregamento compressivo radial sob uma carga constante (25% da carga máxima para cada configuração de anéis) durante 240 h. Três cenários foram considerados: (i) carregamento mecânico; (ii) carregamento mecânico com amostras imersas em água à temperatura ambiente; e (iii) carregamento mecânico com amostras imersas em água a 40 °C. Ensaios quase estáticos de compressão radial, compressão axial e tração circunferencial foram executados antes e após o ensaio de compressão radial à longo-prazo para determinação das propriedades residuais. As propriedades mecânicas mostraram dependência da relação diâmetro/espessura (d/h) e do ângulo de enrolamento. Foi verificado uma absorção máxima de água à temperatura ambiente de 0,51% para as amostras [±60], e de 1,81% para os espécimes [±60/±90] em água a 40 °C. A Tg do material foi entre 101 e 103 °C, que reduziu para 88 - 93 °C após o envelhecimento térmico. As propriedades residuais de resistência à compressão radial, compressão axial e tração circunferencial após os testes de compressão higrotérmicos à 40 °C reduziram para 85%, 90% e 88%, respectivamente. Os principais modos de falha observados foram delaminação e ruptura de fibras. Ademais, o equipamento proposto foi adequado para a análise do comportamento higro-termomecânico de tubos compósitos à longo-prazo.

Composite materials have high specific mechanical properties, however, due to their high degree of anisotropy and complex failure modes, knowing their life service is still challenging. These materials exhibit a time-dependent behavior, especially when subjected to transverse loading, with a time-dependent viscoelastic response, temperature, type of loading and applied load. In this context, this work aims at evaluating the short and long-time mechanical behavior in compression and hygrothermal conditioning of carbon/epoxy rings produced by filament winding (FW). Cylinders with diameters of 50.8 mm and 136.0 mm, both wound at [±60], [±75] and [±90], and with stacking sequences of [±60/±90], [±75/±90] and [±90/±90] were produced and analyzed. In order to perform compression tests under hygrothermal conditioning, a dedicated equipment was designed and fabricated. These tests were performed using a constant radial compressive load (25% of the maximum load for each ring configuration) for 240 h. Three scenarios were considered: (i) mechanical loading; (ii) mechanical loading combined with immersion in water at room temperature; and (iii) mechanical loading combined with immersion in water at 40 °C. Radial compression, axial compression and quasi-static circumferential tensile tests were performed before and after the long-term radial compression test to determine the residual properties. The mechanical properties showed dependence on the diameter/thickness ratio (d/h) and the winding angle. The water uptake at room temperature was 0.51% for the samples [±60], and of 1.81% for the specimens [±60/±90] in water at 40 °C. The Tg of the material was found to be between 101 and 103 °C, which reduced to 88 - 93 °C after the thermal aging. The residual properties of radial compression, axial compression and circumferential tensile properties after the hygrothermal compression at 40 °C were reduced to 85%, 90% and 88%, respectively. The main failure modes were delamination and fiber rupture. Moreover, the proposed equipment was suitable for determining the long-term thermomechanical behavior of composite tubes under hygrothermal conditioning.