A delaminação é um problema comum em estruturas de materiais compósitos. Basicamente, trata-se de uma separação das camadas de material por diversos motivos. Normalmente, estes são impactos, problemas de imobilização e fadiga. Além disso, a delaminação pode ser causada por impacto e fadiga ou por todas essas causas juntas. Em termos de problemas de fabricação, geralmente ocorrem devido a processos de corte ou furação no laminado, que deixam bordas livres de onde se inicia a delaminação. A causa mais comum é o impacto, porque as hastes são comuns nas corridas. Portanto, pode iniciar uma rachadura. Se isso não for detectado, ele se propaga ao longo do laminado. Quando a fissura atinge a superfície, a estrutura falha devido à delaminação por fadiga. A principal dificuldade ao lidar com a delaminação é a sua detectabilidade. Mesmo o transdutor ultrassônico tem dificuldade em detectar qualquer delaminação, porque as superfícies de ligação consecutivas absorvem as ondas ultrassônicas. Este é um tipo de técnica não destrutiva (NDT) usada para detectar a delaminação. O problema é que a delaminação é uma espécie de problema fora do plano que começa de dentro e se propaga até a superfície. Este é o ponto em que a delaminação é detectada. Na verdade, a superfície de ligação é detectada como uma grande delaminação pelo transdutor. Quanto mais próxima da superfície estiver a delaminação, mais fácil será a sua detectabilidade. O problema é que, geralmente quando está muito próximo da superfície, a falha está prestes a ocorrer. Portanto, o principal problema dos componentes de materiais compósitos é um problema fora do plano, uma separação das camadas através do laminado, que é chamada de delaminação. Este artigo irá descrever uma visão geral sobre esta questão muito importante nos chassis compostos de carros de corrida.

Efeitos de delaminação

A maioria das estruturas de materiais compósitos baseia-se em união adesiva. Quando ocorre delaminação nestes o principal efeito é que o laminado funcionará parcial ou totalmente colado. Conseqüentemente, o laminado perde resistência e rigidez. O primeiro se perde, pois o laminado não consegue transmitir a carga como no laminado não danificado. No caso da rigidez, a característica de assentamento é mais importante. Em outras palavras, um laminado unidirecional apresenta uma delaminação sem uma diminuição significativa na rigidez. Contudo, isto não pode ocorrer em laminados complexos. A delaminação é capaz de reduzir o laminado em vários sublaminados. Cada um deles terá características próprias, o que resulta numa estrutura imprevisível em termos de comportamento mecânico. Em outras palavras, uma estrutura com regiões de diferentes resistências, rigidez e acoplamento entre deformações dentro e fora do plano. A razão é que cada sublaminado compõe o laminado geral. Se esta for equilibrada, existe um pequeno acoplamento entre as deformações dentro e fora do plano. Como resultado, as condições de estresse pioram.

Cenários de delaminação

Este modo de falha pode ocorrer em dois cenários diferentes, A e B. O cenário A é caracterizado pelo fato de que todas as camadas ainda estão suportando as cargas. O cenário B ocorre quando algumas lonas não estão suportando cargas por terem falhado, havendo assim menos lonas funcionando efetivamente. O cenário A também é caracterizado pela distribuição de tensões sobre os sublaminados. Então o valor da deformação de ruptura coincide com o da camada mais rígida. Por outro lado, as camadas mais fracas compartilharão a menor quantidade de estresse. No caso do cenário B, as lonas rompidas não suportam nenhuma carga. Conseqüentemente, os demais carregarão mais carga como de costume. A falha de todo o laminado depende do nível de contribuição das camadas falhadas. Portanto, o módulo do laminado depende das camadas que falharam.

Exemplos

Esses cenários podem ser melhor compreendidos por meio de um exemplo de laminado. Considerando um laminado [0/90/0]°, se este apresentasse delaminação conforme o cenário A, as camadas a 90° poderiam ser as primeiras a falhar. Porém, se a carga não for mais dividida igualmente entre as camadas, então as de 0° tornam-se as mais críticas. A razão é que eles carregarão a maior parte das cargas. Se o mesmo laminado [0/90/0]° estiver apresentando delaminação pelo cenário B, o resultado será diferente. Neste caso, algumas camadas já estão rompidas e a delaminação se propaga ao longo da interface. As primeiras pistas para o fracasso, novamente, podem ser aquelas em 90°. Então a delaminação se propagará através da interface e as camadas de 0° não suportarão nenhuma carga.

Instabilidade de delaminação

Outro efeito devido aos sublaminados é que seu desequilíbrio também resulta em algumas extensões de acoplamento, que é a flexão, e a instabilidade à compressão. Esta última ocorre porque cada sublaminado é uma estrutura mais esbelta, portanto o laminado fica mais sujeito a sofrer instabilidade.

Mitigando a delaminação

Embora a delaminação seja impossível de ser completamente evitada, é possível mitigar a sua ocorrência. Isto é feito através de reforços e/ou modificações na borda do laminado. Na verdade, o grande problema das bordas livres é que são superfícies livres, nas quais existe significativa possibilidade de apresentarem defeitos devido a desencontros de ferramentais ou de corte ou cisalhamento. Para esses possíveis problemas é necessário realizar reforços e/ou modificações nas bordas.

Reforços de borda

Em relação aos reforços de borda, existem três tipos, o topo de borda, a costura e as camadas adesivas intercaladas. As bordas livres geralmente apresentam desalinhamentos de cisalhamento. Uma técnica para evitar isso é a costura. Isso geralmente é feito para fibras têxteis. Baseia-se na costura das camadas ao longo do perímetro do laminado. Quando ocorrem desalinhamentos de cisalhamento, se as camadas não forem costuradas, elas podem deformar-se em diferentes direções. A costura mantém as camadas unidas e concentra as forças de pares e de cisalhamento entre as camadas na borda do laminado. Este processo é feito previamente à consolidação das camadas. O outro reforço são as camadas adesivas intercaladas. Estes baseiam-se em camadas de adesivo entre as fibras, mas apenas nas bordas. Os adesivos são geralmente espessos e com módulo de Young muito baixo em relação aos aderentes. Este é um ótimo reforço contra concentrações de tensões principalmente para laminados como compósitos de alumínio e fibra de vidro. Estes dois compostos têm coeficientes de expansão térmica completamente diferentes. Então, a concentração de tensões surgirá nas bordas. Um laminado espesso e macio compensa esta diferença, reduzindo assim as concentrações de tensões. Se um adesivo rígido e fino fosse aplicado, as concentrações de tensão aumentariam. A ordem de grandeza do adesivo é de fração de milímetros. Assim, para reduzir a delaminação nas bordas, um adesivo à base de polímero macio é usado para diminuir a concentração de tensão. É um método bastante simples e eficaz.

Modificações de borda

Outra abordagem para mitigar a delaminação é através de modificações nas bordas. Estes podem ser realizados por três métodos: a terminação da camada, o entalhe e o afunilamento. A terminação da camada é comumente usada em laminados com camadas dispostas em diferentes orientações. Normalmente, quando as camadas são dispostas na configuração em cascata, as diferentes orientações aumentam as divergências de cisalhamento. Então a tensão de cisalhamento nas bordas também é aumentada. O objetivo da terminação da camada é a queda da camada, que é o recorte de uma das camadas próximo à borda. Isto é feito para ter duas camadas com a mesma orientação juntas apenas nas bordas. Por exemplo, em um laminado de camadas cruzadas com laminado com orientações [0/90/0/90/0]° é possível notar que, no meio há uma discordância de cisalhamento dada pelas folhas [0/90]°. Se a camada a 0° fosse cortada perto das bordas, a configuração nesta região seria [0/90/90/0]°. Portanto, uma possível interface crítica seria removida reduzindo as concentrações de tensão. Outro método de modificação é o entalhe. Geralmente é aplicado em laminados longos. O problema destes é que, quanto mais longa a aresta, maior será a concentração de tensões. Este método propõe usinar ou furar um entalhe para dividir uma aresta longa em duas ou mais arestas menores. Os entalhes funcionam como uma espécie de interrupção das concentrações de tensões. A última modificação possível é a redução gradual. Como o nome sugere, a aresta é afilada para reduzir a rigidez nessa região. A menor rigidez ajuda a reduzir as concentrações de tensão.

Referências

• Este artigo é baseado nas anotações realizadas durante o curso de Materiais Compósitos cursado pelo autor no Mestrado Avançado em Engenharia Automotiva Muner.

Figura da capa

• Wikipédia.