Deteção de defeitos em materiais compósitos usando tecnologia de ultrassons

Abstract

A utilização de materiais compósitos em aplicações estruturais comporta alguns desafios, pois a sua natureza heterogénea, resulta em mecanismos de dano complexos, sendo alguns tipos de defeito de difícil deteção a olho nu. O uso de técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END) neste tipo de materiais é de extrema importância, uma vez que, permite a deteção de defeitos de outro modo impercetíveis. Este trabalho tem como objetivo principal o uso da técnica de análise não destrutiva de ultrassons (UT) no estudo, avaliação e caracterização de defeitos em materiais compósitos de matriz polimérica. Para o efeito foi utilizado o equipamento Prisma da Sonatest do tipo A-Scan com sonda Phased Array. Tendo em conta a pretensão referida, numa primeira fase, foram produzidos diferentes laminados com defeitos impostos como furos e inclusões, recorrendo ao processo de produção por infusão de resina assistida a vácuo (VARI). No caso das furações, os resultados experimentais obtidos evidenciam uma pequena tendência para a diminuição da extensão da região delaminada com o aumento do diâmetro da broca. Por outro lado, o estudo efetuado sobre as inclusões mostra que, quanto menores forem as suas dimensões, maior é a facilidade dos ultrassons em “contorná-las”, tornando-se a superfície oposta do laminado menos esbatida. Numa segunda fase, e utilizando o mesmo processo de produção, foram fabricados provetes de diferentes laminados sem defeitos, para análise UT de dois tipos de defeitos específicos: danos mecânicos e juntas adesivas. Os danos mecânicos foram induzidos por ação de diferentes solicitações mecânicas controladas como impacto e flexão, e caracterizados quanto à sua estrutura. As juntas adesivas (colagens entre laminados), por sua vez, foram avaliadas quanto à sua qualidade, tendo sido também submetidas a tensões mecânicas controladas, nomeadamente tração, de forma a causar danos nas juntas. Em relação aos resultados obtidos a partir da análise UT de laminados submetidos a solicitações de impacto de baixa energia e flexão, conclui-se que estas solicitações provocam um dano de formato cónico, verificando-se um fenómeno de crescimento das delaminações ao longo da espessura, à medida que a distância à superfície solicitada aumenta. Por último, constata-se que o dano induzido nas juntas origina uma descontinuidade no material, resultando em falhas no sinal de UT quer na interface substrato superior/adesivo quer no fundo do adesivo.

The use of composite materials in structural applications poses some challenges, as their heterogeneous nature results in complex damage mechanisms, with some types of defects difficult to detect with the naked eye. The use of Non-Destructive Testing (NDT) techniques in this type of material is extremely important, since it allows the detection of defects that are otherwise imperceptible. This work has as main objective the use of the non-destructive ultrasound analysis (UT) technique in the study, evaluation and characterization of defects in polymeric matrix composite materials. For this purpose, Sonatest Prisma A-Scan equipment with Phased Array probe was used. In view of the above claim, in the first stage different laminates with defects imposed, such as, holes and inclusions, were produced using the vacuum assisted resin infusion (VARI) production process. In the case of defects produced by drilling, the experimental results obtained show a small tendency to decrease the extension of the delaminated region with the increase of the diameter of the drill. On the other hand, the study carried out on the inclusions shows that the smaller the dimensions, the greater the ease of ultrasound in “surrounding them” making the opposite surface of the laminate less blurred. In a second phase, and using the same production process, specimens of different defect-free laminates were fabricated for UT analysis of two specific types of defects: mechanical damage and adhesive joints. Mechanical damage was induced by the action of different controlled mechanical stresses, such as, impact and bending, and characterized by its structure. Adhesive joints (glue between laminates), in turn, were evaluated for their quality, and were also subjected to controlled tensile stress, to cause damage to the joints. Regarding the results obtained from the UT analysis of laminates subjected to low energy impact and bending, it is concluded that these stresses cause damage of a conical shape, indicating a phenomenon of growth of delamination along the thickness, as that the distance to the requested surface increases. Finally, it appears that the damage induced in the joints causes a discontinuity in the material, resulting in flaws in the UT signal both at the upper substrate/adhesive interface and at the bottom of the adhesive.