right|thumb|225px|Tecidos de fibra de carbono.
Os compósitos,Notas de aula do Professor André Luiz Torres Rosas da matéria "Materiais Compósitos", da UFRJ, ministrada no segundo semestre do período letivo de 2016 também chamados de materiais compósitos, são materiais formados pela união de outros materiais com o objetivo de se obter um produto de maior qualidade. A síntese de materiais compósitos envolve a mistura de compostos de diferentes naturezas para conferir novas propriedades aos materiais. Como os compósitos são multifásicos, eles possuem propriedades intermediárias resultantes da formação de uma região interfacial, além das propriedades inerentes de cada um de seus constituintes.
As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que pode ser cerâmica, polimérica e metálica – e a fase dispersa – geralmente fibras ou partículas.
A matriz é geralmente um material contínuo que envolve a fase dispersa. As propriedades dos compósitos são influenciadas por fatores como a geometria da fase dispersa, a distribuição, a orientação e a compatibilidade interfacial entre os constituintes da mistura. Portanto, para que se forme um compósito é necessário que haja afinidade entre os materiais que serão unidos. Por isso, é fundamental conhecer as propriedades químicas e físicas dos diferentes materiais envolvidos, especialmente as propriedades das interfaces dos constituintes dos compósitos. Muitas das nossas tecnologias modernas requerem materiais com combinações específicas de propriedades que não podem ser atendidas somente por ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos, como em aplicações aeroespaciais, subaquáticas e de transporte.
Nos últimos anos, a busca por materiais mais sustentáveis tem levado ao desenvolvimento de materiais compósitos com matrizes poliméricas e fibras naturais. Inicialmente, essas fibras naturais apresentavam poucas vantagens em termos de propriedades mecânicas, mas o seu apelo comercial é alto devido aos baixos custos, pois são originárias de fontes renováveis e inesgotáveis. Além disso, essas fibras têm baixa densidade, menor abrasão durante o processamento e boa adesão à matriz. Como resultado, o uso de fibras naturais em compósitos estruturais tem aumentado na indústria."Na natureza, podemos perceber que todos os materiais biológicos são compósitos, sem exceção. Exemplos encontrados de compósitos naturais incluem madeira, em que a matriz de lignina é reforçada com fibras celulósicas, e ossos, em que a matriz composta por minerais é reforçada com fibras colagéneas. Desde a Antiguidade encontramos exemplos de compósitos feitos pelo homem, como adobes reforçados com palha para evitar a quebra da argila, e o uso de colmos de bambu no reforço de adobe e lama em paredes no Peru e China." (HIDALGO-LÓPES, 2003:163)
Do que é feito um compósito Material de Reforço Fibras Orgânicas (nylon, poliéster) Fibra de vidro Fibra de carbono Fibra de titânio Fibra de Boro Fibras Cerâmicas Fibras de Carbeto de Silício Fibras de Alumina Fibras de Quartzo Fibras Metálicas Fibra de Aramida Madeira(serradura) Grafite Fibra de basalto etc. Matriz CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002A fase matriz dos compósitos fibrosos pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. Em geral, os metais e os polímeros são usados como os materiais de matrizes, pois alguma ductilidade é desejável. Nos compósitos reforçados com fibras, a fase matriz serve para varias funções. Em primeiro lugar, ela une as fibras umas às outras e atua como o meio através do qual uma tensão aplicada externamente é transmitida e distribuída para as fibras, apenas uma proporção muito pequena de uma carga aplicada é suportada pela fase matriz. A segunda função da matriz é de proteger as fibras individuais contra danos superficiais em decorrência de abrasão mecânica ou de reações químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir defeitos superficiais que são capazes de formar trincas, as quais podem levar a falha sob baixos níveis de tensão de tração. Finalmente, a matriz separa as fibras e, em virtude de sua relativa baixa dureza e plasticidade, previne a propagação de trincas frágeis de uma fibra para a outra, o que poderia resultar em uma falha catastrófica, em outras palavras a faze matriz serve como uma barreira contra a propagação de trincas. Embora algumas das fibras individuais falhem, a fratura total do compósito não irá ocorrer até que um grande número de fibras adjacentes, uma vez que tenham falhado, forme um aglomerado com dimensões críticas.
Matriz Polimérica Composta por um material formado por polímeros ou por um polímeros e outra classe de material. Há basicamente quatro tipos de materiais compósitos poliméricos. Abaixo temos alguns exemplos de cada um: Compósitos partículas: Betão, asfalto; Compósitos fibras: Kevlar, poliéster; Compósitos laminares: laminados de fibras e resina; Compósitos naturais: madeira.
Matriz Metálica Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Possuem um grande número de elétrons não localizados, ou seja, elétrons que não estão ligados a qualquer átomo em particular, e muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a esses átomos.
Propriedades dos Metais Os metais são muito bons condutores de eletricidade e calor, não transparentes à luz visível, muito resistentes e deformáveis por isso sendo utilizados largamente em aplicações estruturais.
Características de Compósitos de Matriz Metálica (CMM) Estes compósitos oferecem vantagens em relação aos materiais convencionais combinando as propriedades do metal que serve de matriz com as propriedades do material que serve de reforço. Esta combinação de vantagens é superior que a conseguida com os compósitos poliméricos.
Comparando o número de aplicações onde se utiliza os compósitos metálicos com os compósitos poliméricos e materiais convencionais é pequeno. O elevado preço de produção e técnicas insuficientes (difícil processamento) condicionam a utilização destes compósitos.
Por fim, as fibras podem ser utilizadas como reforços incluindo também reforços de natureza cerâmica.
Matriz Cerâmica Materiais cerâmicos são materiais que possuem como característica comum o fato de serem constituídos de elementos metálicos e elementos não metálicos, ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente.
Propriedades dos Cerâmicos Os materiais cerâmicos são, geralmente, duros e frágeis e possuem baixa resistência a tração e ao impacto. Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições determinadas no reticulado cristalino.
Além das características mecânicas citadas acima, os cerâmicos apresentam alto ponto de fusão ou decomposição, baixa reatividade em alta temperatura e baixa condutividade térmica, além de baixa resistência ao choque térmico. Os metais em geral apresentam condutividade térmica bem maior que as cerâmicas. Isto está relacionado ao mecanismo de transporte de calor. Três mecanismos de transporte de calor merecem destaque neste assunto: a transmissão por elétrons, a transmissão por fônons e a transmissão por radiação.
Quando existem elétrons livres em número elevado, eles podem ser uma forma importante de transmissão de calor. Os metais possuem elétrons livres. Eles podem se movimentar pela estrutura. Os elétrons livres que estão localizados nas partes mais quentes do corpo recebem energia e quando se movem para as partes mais frias, levam consigo este calor.
Quanto as suas propriedades elétricas, geralmente são isolantes, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos em faixas específicas de temperatura).
Características de Compósitos de Matriz Cerâmica (CMC) São inerentemente resistentes a oxidação e a deterioração sob temperaturas elevadas; São leves e rígidos; Apresenta melhor resistência em relação as cerâmicas convencionais; São suscetíveis à fratura frágil.
Exemplos de Materiais Cerâmicos de Reforço Fibra de vidro; Fibra de carbono; Fibra de carbeto de silício (SiC).
Comparação das Propriedades das Matrizes Matrizes poliméricas têm em geral baixa resistência e baixo ponto de fusão. Matrizes metálicas têm maior resistência e maior ponto de fusão, mas são mais pesadas. Podem ser usadas matrizes cerâmicas para resistência a temperaturas extremamente elevadas, perdendo-se tenacidade. A matriz será a responsável por absorver energia pela deformação do material e também irá responder pela dureza do mesmo.
Fase Dispersa A fase dispersa ou reforço existe em diversas formas sendo a classificação mais geral feita em três categorias: compósitos particulados, compósitos de fibras descontínuas (whiskers) e compósitos de fibras contínuas. No geral, os constituintes do reforço dos compósitos proporcionam força e rigidez, mas também aumentam a resistência ao calor, corrosão e condutividade. O reforço pode ser feito para facultar todas ou apenas uma destas características dependendo dos requisitos exigidos pelo novo material. Para o reforço representar uma vantagem para o compósito este deve ser mais forte e rígido que a matriz e deve ser possível a sua troca quando se notar qualquer falha como vantagem. Deste modo a boa interação entre matriz e reforço pode ser garantida pela criação de uma interface entre ambos que possa adequar a rigidez do reforço com a ductilidade da matriz. Para tal é essencial que a ductilidade da matriz seja mínima ou mesmo nula para que o compósito apresente um comportamento relevante.
Materiais Fibrosos As fibras constituem uma classe importante de reforço uma vez que proporcionam o aumento da força da matriz, e consequentemente influencia e destaca as propriedades pretendidas das duas fases. As fibras de vidro são as mais antigas conhecidas fibras usadas como reforço. As fibras de cerâmicos e metais foram mais tarde descobertas e postas em uso para tornar os compósitos mais rígidos e resistentes ao calor.
As fibras podem contudo apresentar um desempenho diminuído devido a vários factores. A performance do compósito reforçado com fibras é avaliada pelo comprimento, forma, orientação, e composição das fibras bem como pelas propriedades mecânicas da matriz. O arranjo das fibras em relação umas às outras, a concentração das fibras e a sua distribuição influenciam significativamente a resistência e outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras.
Existem duas configurações possíveis em relação à orientação das fibras: um alinhamento paralelo ao eixo longitudinal da fibra numa só direcção e um alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas estão alinhadas enquanto as fibras descontínuas podem estar desalinhadas, orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. Os materiais para fibras contínuas incluem o carbono, o carboneto de silício, o boro, o óxido de alumínio e os metais refractários. Por outro lado, os reforços descontínuos consistem principalmente em whiskers de carboneto de silício, fibras picadas de óxido de alumínio e de carbono, e os particulados de carbonetos de silício e óxido de alumínio.
Em geral, a melhor combinação das propriedades dos compósitos reforçados com fibras (FRC – Fiber Reinforced Composites) é obtida quando a sua distribuição é uniforme. Os compósitos com fibras contínuas e alinhadas têm respostas mecânicas que dependem de vários factores como o comportamento tensão-deformação das fases fibra e matriz, as fracções volumétricas das fases e a direcção na qual a tensão ou carga é aplicada.