Interfaces

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Interfaces 
 
Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) –
Campus Itabira 
 
Itabira, 15 de abril de 2013. 
Interface 
 
O comportamento de um compósito é um resultado do 
comportamento combinado de três entidades: 
• Fibra ou elemento de reforço 
• Matriz 
• Interface fibra/matriz 
 
 
• Pode-se definir uma interface entre quaisquer duas fases, por 
exemplo, matriz e reforço, como uma superfície de contato 
onde ocorre algum grau de descontinuidade. Esta pode ser 
abrupta ou gradual. 
 
 
3 
Molhabilidade e adesão 
• Adequada molhabilidade é uma condição necessária (mas não 
suficiente) para boa adesão entre um líquido e uma superfície 
sólida. 
• O ângulo de contato entre uma gota líquida e uma superfície 
sólida é um indicativo de compatibilidade entre o líquido e o 
sólido. 
 
 
 
 q 
sólido 
vapor 
liquido 
gSV 
gLV 
gSL 
(S = Sólido, V = Vapor, L = Líquido) 
4 
Energias superficiais (g) 
q 
sólido 
vapor 
liquido 
gSV 
gLV 
gSL 
Condições diferentes de molhabilidade. 
•Se q < 90°, o líquido “molha” a superfície do 
sólido. 
•Se q = 0°, o líquido ‘espalha’ na superfície 
(completo molhamento). 
•Se q = 180°, o líquido ‘não molha’ a 
superfície. 
6 
Trabalho de adesão (Wa) 
O trabalho de adesão, Wa, entre o sólido e o líquido pode ser calculado 
pela equação de Dupré: 
Wa = gLV + gSV - gSL (3) 
 
Efetuando-se a combinação algébrica das equações (2) e (3), obtém-se 
a equação de Young-Dupré: 
Wa = gLV (cosq + 1) (4) 
• Quando q = 0 , cosq = 1 então: Wa = 2gLV (5) 
• Quando q = 180 , cosq = -1 então: Wa = 0 (6) 
 
 
 
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Assim, boa molhabilidade (q = 0o ) surge quando a energia 
superficial do sólido é igual ou maior que a soma da energia energia 
superficial da interface líquido-vapor e a energia superficial da 
interface sólido-líquido. 
Quanto menor o ângulo de contato, maior a molhabilidade: 
Líquido é atraído para 
ele mesmo, e não é 
atraído para superfície 
do sólido. 
Líquido é atraído para a 
superfície do sólido. 
Medidor de ângulo de contato 
Em compósitos, boa molhabilidade da fibra ocorre se a 
energia superficial da fibra é maior do que a energia 
superficial da matriz. 
 
Fibras de vidro e fibras de carbono que possuem energias livres 
superficiais de ~56 mJ/m2 e ~45 mJ/m2 respectivamente, exibem 
molhabilidade suficiente com matrizes poliméricas do tipo epóxi e 
poliéster, que possuem energias livres superficiais de de ~43 mJ/m2 e ~35 
mJ/m2 , respectivamente. 
Efeito da rugosidade 
(a) Uma interface ideal entre o reforço e a matriz. 
(b) Uma interface rugosa mais provável de existir entre o reforço e a matriz . 
A molhabilidade pode ser aumentada ou diminuída em função da rugosidade superficial. 
(WAD)r = WAD + (r-1) (gSV - gSL) 
Efeito da rugosidade 
Micrografias bi e tridimensionais 
de AFM de superfícies de fibras. 
Medida indireta: pode ser feita pela imersão da fibra em um líquido de 
interesse e pela medição da força de imersão ou emersão (técnica de 
Wilhelmy da microbalança). Uma balança permite que o cálculo do 
ângulo de contato seja realizado se o perímetro da fibra e a energia 
superficial do líquido são conhecidos. 
2 métodos para determinar o ângulo de contato: 
Método da gota Método 
Wilhelmy 
Determinação do ângulo de contato para reforços fibrosos 
Princípio do método de Wilhelmy: 
Uma fibra de diâmetro cilíndrico é parcialmente imersa em um líquido de 
energia superficial conhecida gLV. 
A força exercida na fibra pelo líquido é dada por: Fd = gLV d cosq 
 
Esta força é balanceada por FF = Vg 
 
V é o volume do líquido deslocado e  é a densidade do líquido. Uma 
microbalança registra a massa M durante a imersão ou emersão. Então o 
ângulo de contato é: 






= -
LVd
Mg
g
q 1cos
Tipos de ligações na interface 
Entrelaçamento 
molecular (dirigido por 
difusão) 
Atração eletrostática 
Reorientação 
catiônica-aniônica 
Reação química 
(Adesão Química) 
Intertravamento 
mecânico (Adesão 
Mecânica) 
Ligação mecânica: 
 
A ligação mecânica envolve ancoramento mecânico na interface. 
 
A resistência desse tipo de interface normalmente não é de 
grande magnitude quando submetida a esforços de tensão 
transversal, a menos que haja grande número de reentrâncias, 
na forma de microporosidade na superfície do reforço. 
Tipos de ligações na interface 
Tipos de ligações na interface 
Aderência mecânica devido a contração radial de uma matriz em um compósito 
no resfriamento a partir de uma alta temperatura. 
(a) Boa ligação mecânica (b) Baixa molhabilidade podem fazer um líquido 
polimérico ou metal incapaz de penetrar nas rugosidades da superfície da fibra, 
conduzindo à vazios interfaciais. 
 
Tipos de ligações na interface 
Ligação mecânica 
Ligação física: 
 
Forças de baixa energia, como por exemplo, como 
interações intermoleculares (ligações de hidrogênio e 
forças de van der Waals). 
Tipos de ligações na interface 
• Ligação química: 
 
• Uma ligação é formada entre um grupamento químico na 
superfície da fibra e um grupo químico compatível na matriz. 
 
• A resistência adesiva dependerá do número e tipo de ligações. 
• Dois tipos de ligações químicas: 
– Interação entre componentes ocorrendo em escala atômica. (Adesão 
química propriamente dita). 
– Transporte de moléculas, átomos ou íons ocorrendo de um ou ambos 
componentes ao sítio da reação. Transporte controlado por processos 
difusionais. (Adesão reativa). 
Tipos de ligações na interface 
Tipos de ligações na interface 
Zona de interface em um compósito de matriz metálica mostrando 
solução sólida e formação de compostos intermetálicos. 
Vidro-epóxi: papel do agente de acoplamento 
• Óxidos em vidros (SiO2, Al2O3) formam ligações com grupos 
hidroxilas durante contato com a água e formam ligações de 
hidrogênio com as moléculas de água. Isto reduz a 
molhabilidade das fibras, reduzindo de 500-600 mJm-2 a 10-20 
mJm-2 ! 
 
• Agentes de acoplamento silanos [R-Si-X3]: Fornecem uma 
forte ligação química entre os grupos óxidos da superfície da 
fibra e as moléculas do polímero (um revestimento resistente 
à agua que também fornece uma forte ligação com a matriz). 
Interações na interface 
(a) Hidrólise de um organo-
silano ao correspondente 
silanol, 
(b) Ligação de hidrogênio 
entre os grupamentos 
hidroxila do silanol e 
aqueles ligados à 
superfície do vidro, 
(c) Polisiloxanos ligados ao 
vidro após secagem (após 
reação de condensação). 
(d) Ligação entre o radical R e 
a matriz polimérica. 
Carbono-epóxi 
• Um tratamento utilizado para melhorar a adesão em compósitos epóxi-
carbono é pela oxidação da superfície da fibra. 
• Oxidação é realizada via úmida (ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido 
crômico, hipocloreto de sódio, KMnO4, etc) ou métodos via seca (ar, 
oxigênio, ozônio, etc). 
• Ligações covalentes entre a fibra e a matriz podem ocorrer. Exemplo: 
Ligações ter (COC) ou éster (COO) devido a reação entre o grupo epóxi e 
os grupos carboxila ou hidroxila na superfície da fibra de carbono 
oxidada. 
Interações na interface 
Adesão interfacial 
• Os principais fatores que influenciam as propriedades 
mecânicas e mecanismos de falhas em compósitos com 
reforço de fibras são as seguintes: 
– Propriedades do reforço e da matriz 
– Fração volumétrica do reforço 
– Orientação do reforço e comprimento do mesmo 
– Propriedades das interface reforço/matriz 
 
• As propriedades da interface reforço/matriz, por sua vez, são 
influenciadas por: 
– Resistência ao cisalhamento interfacial
(i). 
– Tenacidade à fratura interfacial (Gi). 
– Encolhimento da matriz. 
– Coeficiente interfacial de fricção. 
Importância da resistência adesiva 
Exemplo simples: Compósito unidirecional carbono/epóxi 
A presença de interfaces, e sua resistência adesiva, é crítica para 
várias propriedades físicas dos compósitos 
Fraca interface conduz a 
compósitos tenazes 
Forte interface conduz a 
compósitos frágeis 
Mecanismo de transferência de carga 
 
Como medir a adesão interfacial fibra-matriz de um 
dado compósito de uma maneira universal? 
 
Adesão pode ser quantificada com referência a 
um tipo específico de teste: ela não é uma 
propriedade física básica (uma “constante do 
material”). 
Adesão interfacial fibra-matriz 
• Duas metodologias gerais: 
 
– Teste Indireto (ou macromecânico) – focaliza o 
comportamento coletivo de fibras em uma matriz 
polimérica [resistência interfacial é interpretada via 
considerações simplificadas]. 
– Teste direto (ou micromecânico) – sonda o 
comportamento interfacial de fibras isoladas interagindo 
com uma matriz polimérica (informação mais 
fundamental). 
Teste direto (ou micromecânico) 
1. O teste do puxamento de uma única fibra 
F 
~ 1 mm ~ 1 mm 
F 
dt
F
i

 =
Onde: F é a força para romper a lig. fibra/matriz, 
d o diâmetro da vareta de fibra e t a espessura 
do disco de matriz polimérica. 
 
 
Expressão para resistência ao cisalhamento interlaminar: 
2. Teste da microdureza de uma única fibra 
3. Teste de fragmentação de uma única fibra 
Única fibra 
embebida em uma 
matriz 
Fibra fragmentada 
Pré-condições para o sucesso do teste: 
(a) a matriz deve apresentar um limite de deformação pelo menos três vezes maior que o da fibra e deve 
ser suficientemente tenaz para evitar a falha da fibra induzida. 
(b) Ligação interfacial deve ser de média a boa. 
 
Perfil de tensão em fragmentos de fibras 
Microscopia de luz 
polarizada: Baixa deformação 
Alta 
deformação 
Limite de 
saturação 
Fibra quebrada 
A saturação na fragmentação do filamento, ou seja, o menor 
comprimento de filamento fragmentado, obtido por 
amostragem estatística, corresponde ao comprimento crítico 
de transferência (lC), que permite o cálculo da resistência ao 
cisalhamento interfacial. 
i
f
x
c
d
L


2
=
Tensão de falha do filamento no comprimento crítico. 
3. Teste de fragmentação de uma única fibra 
• Vídeos: 
 
• http://www.youtube.com/watch?v=a9KHZDYW9mE 
• http://www.youtube.com/watch?v=POyhJQdrkd4 
• http://www.youtube.com/watch?v=H3yA3BTE350