Ao projetar o chassi de um carro de corrida ou qualquer outra estrutura feita de material compósito, existe um livro que conta literalmente como isso é feito, este é o livro de lonas. Uma das informações nele descritas são as de stack-up e lay-up. Estes são extremamente importantes e são cuidadosamente definidos no início da fase de projeto de qualquer chassi. Para entender o motivo dessas informações é necessário ter uma compreensão completa das escalas de comprimento. Este artigo fornece um resumo sobre a abordagem multiescala e seu impacto nos modelos matemáticos desenvolvidos para descrever o material compósito.

Abordagem multiescala

Na engenharia de materiais, a escala de comprimento significa a lente de ampliação para observar o material e os componentes. Existem diversas escalas de comprimento aplicadas em processos gerais de projeto. A potência da lente de ampliação utilizada define o que pode ser obtido do material. Se for considerada uma escala de comprimento do mundo real (em metros), é possível observar o comportamento dos componentes. Por exemplo, as oscilações das asas de um avião devido à turbulência, vibração ou cargas do aerofólio. Porém, se a escala de comprimento for melhorada para uma ordem de centímetro (cm), isso é algo que permite observar o comportamento de um laminado espesso ou de um painel sanduíche. Trata-se de uma espécie de estrutura de material composto ou misto. No caso de um painel sanduíche, este é considerado uma estrutura, pois do ponto de vista da escala de comprimento, ele se comporta de acordo com algumas regras matemáticas utilizadas para placas. Ou seja, não está sendo considerado o que está acontecendo dentro do favo ou das películas. Na verdade, esta escala de comprimento está focada no comportamento do painel. Para observar o comportamento no interior do laminado, a escala de comprimento deve ser aumentada novamente, na ordem do milímetro.

A escala de comprimento é onde existe um trecho que permite identificar o número de camadas e suas orientações. Um laminado é considerado um material se as camadas forem laminadas para fabricar uma amostra para testar as propriedades do material, em particular as propriedades da camada. Isso significa que o laminado é uma fronteira entre o que é uma estrutura e o que é um material. Caso seja necessário entender o comportamento dentro de um laminado, é possível aumentar ainda mais a escala de comprimento até o nível de uma lâmina. A lâmina é apenas o conjunto de fibras e matriz, que é considerada um material homogêneo. Este não é isotrópico, às vezes é considerado anisotrópico ou ortotrópico. Um material homogêneo é aquele cujas propriedades são iguais em todas as partes da lâmina. Podem ser diferentes quanto à direção, que é o caso ortotrópico, mas é uniforme ao longo do laminado. Se a escala de comprimento for aumentada, é possível observar a heterogeneidade do material, assim como as propriedades variam de ponto a ponto dentro da camada. Esta é a menor escala de comprimento observada para fins de engenharia. As fibras podem ser da ordem de micrômetros. Portanto, a escala de comprimento desta interface fibra-matriz é da mesma ordem de micrômetros. No caso da lona, a escala de comprimento é da ordem de décimos de milímetro (Figura 1). Portanto, é possível observar o que está ocorrendo em uma escala de comprimento diferente dependendo do que é exigido pelas diretrizes de projeto. Considerando um profundo conhecimento dos materiais, é possível determinar ou descobrir as propriedades da camada a partir das propriedades das fibras e da matriz.

Os diferentes modelos matemáticos permitem obter alguns resultados a partir de entradas para diferentes escalas de comprimento. Cada um deles tem um problema diferente a ser enfrentado em termos de tensões que devem ser determinadas. Por exemplo, considerando a microescala, a tensão local em cada face será o alvo (Figura 1). No caso da escala de camadas, o alvo é a tensão média na camada, que é a tensão média em cada fase. A escala do laminado é utilizada para calcular a média em cada camada do laminado. Acima desta escala, mas abaixo da escala da estrutura, observa-se o laminado como um todo. Isto permite calcular a tensão média em todo o laminado. Acima desta escala de comprimento, tudo é transposto para a tensão média na estrutura. Isto normalmente é feito por métodos numéricos, que permitem ampliar desde estruturas pequenas, como painéis sanduíche, até estruturas maiores, como laminados. Cada uma dessas escalas de comprimento tem seus próprios problemas de identificação. Para microescalas, estas são as variações estatísticas do tamanho e das propriedades dos constituintes. Na análise laboratorial da microestrutura, o que pode ser obtido é uma estrutura de tamanho n com formato regular. Isto reflete na variabilidade das propriedades das escalas seguintes. Conseqüentemente, a resistência de uma camada será afetada pela variação estatística dos constituintes em microescala. Quando as camadas são empilhadas, a sequência de empilhamento afeta as propriedades do laminado. O problema do laminado é a seleção da experimentação da rota de identificação para determinar as propriedades do laminado. Para uma análise que vai da escala do material à escala da estrutura, há sempre o problema de encontrar o modal comportamental para a estrutura feita de materiais que possuem um comportamento bastante complexo. A razão é que os materiais compósitos e também os favos de mel não são materiais muito homogêneos e isotrópicos. Na verdade, estes são materiais muito heterogêneos e anisotrópicos. Assim, para cada escala de comprimento, existe um método experimental e um modelo matemático próprios a serem adotados.

Referências

• Antunes Galli, C. Caracterização das Propriedades Mecânicas de Compósitos de Matriz de Epóxi com Fibras de Carbono Unidirecionais. Dissertaçao de Graduaçao – Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Rio de Janeiro, pg 6-9;
• Mallick, P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, manufacturing and design.