Estudo experimental do comportamento mecânico de compósitos em fibras de basalto

24/06/2013

With the growing adoption of composite materials, new matrix and reinforcement materials have been entering the market at an ever growing rate. These new materials have to be thoroughly tested in order to determine its mechanical properties and possible applications. Basalt fibers offer some advantages versus current materials, it is fireproof, requires no material addition, has better mechanical properties than most types of E-Glass, and it is cheaper than Carbon Fiber. The goal of this thesis is to understand the viability of basalt fibers as part of a composite, by determining its mechanical properties. The composites were tested with a Polyester resin matrix, produced by Resin Transfer Molding. The composites were subjected to tensile, compression, shear and flexural tests. The results were generally good and in line with the mixing rules predicted results, although with a somewhat high coefficient of variance. C-Scan Analysis was performed on the composites, to determine its origin. The analysis showed that the problem was the production method, since the composite layers were not evenly spaced, and possessed different spacing from specimen to specimen. Finally a kayak paddle was created using Hand lay-up in order to compare the results with a finite element model created from the data obtained. The results are consistent with the exception of the area where the shaft, made of aluminum, is connected to the composite blade. In the blade area the results are quite close to those of the model, further validating the tests performed. Com a aplicação cada vez maior de materiais compósitos, novas matrizes e materiais de reforço entraram no mercado a um ritmo cada vez maior. Estes novos materiais têm de ser cuidadosamente testados, para determinar as suas propriedades mecânicas e possíveis aplicações. Fibras de basalto oferecem algumas vantagens face a materiais atuais, resistência à prova de fogo, não necessita de adição de material durante o seu processo de fabrico, tem melhores propriedades mecânicas que a maioria dos tipos de E-Glass e é mais barato do que fibras de carbono. O objetivo desta tese é compreender a viabilidade das fibras de basalto, como parte de um compósito, determinando as suas propriedades mecânicas. Os compósitos foram testados numa matriz de resina de poliéster, produzido por moldagem por transferência de resina e submetidos a testes de tração, compressão, corte e flexão. Os resultados foram geralmente bons e em linha com os resultados da regra das misturas, embora com um coeficiente de variação elevado. Foi feita uma análise C-Scan nos compósitos, para determinar quais as suas origens, mostrando que o problema era o método de produção, pois as camadas de fibras não estavam uniformemente espaçadas, e possuíam espaçamentos diferentes entre amostras. Foi criada uma pá do caiaque usando hand lay-up, para comparar os resultados com um modelo de elementos finitos criado a partir dos dados obtidos. Os resultados são consistentes exceto na zona onde o veio, feito de alumínio, liga à lâmina de compósito. Na área da lâmina, os resultados são semelhantes aos do modelo, validando ainda mais os testes realizados.

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Mestrado em Engenharia Mecânica

mechanical-engineering - Engenharia Mecânica

Palavras-chave

• Compósitos
• Fibras de Basalto
• Propriedades Mecânicas
• C-Scan
• Método de Elementos Finitos
• Composites
• Basalt Fibers
• Mechanical properties
• Finite element methods

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Instituto Superior Técnico