ANÁLISE DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE JUNTAS COLADAS MULTI-MATERIAIS

Abstract

One of the biggest challenges for the 21st century transportation industry is reducing emissions and fuel economy. For this, lighter structures are designed through the application of various materials, such as metal alloys, polymers and composites. Through the use of bonded joints, these different materials can be combined with durability and strength, as well as advantages such as vibration damping and flexibility in joint design. Bonded joints are designed to work in a range of temperatures according to the application for which they are intended. However, different temperatures result in a different behaviour of the joint, due to several factors such as the volumetric contraction of the adhesive during the curing process, different coefficient of thermal expansion (CTE) between adhesives and adhesives and between dissimilar substrates, which lead to tensions in the bonded joint. In addition, the properties of the adhesives also vary with the temperature due to their polymeric nature. In this work, the characterization of a new two-component structural epoxy adhesive, BetamateTM2096, was performed. First, the glass transition temperature was measured for two distinct curing processes in order to choose the most suitable, as well as the temperatures to be used in the tests (23, 40 and 60ºC). Subsequetly, the mechanical strength of specimens of the bulk cured adhesive was measured as a function of temperature. The fracture toughness in Mode I and II was measured through the Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests. Shear-loaded High Strength Steel single lap joints were evaluated as a function of the overlap length (12.5, 25 and 50mm), adhesive thickness (0.2 and 1mm) and temperature (23, 40 and 60ºC) for a complete evaluation of the behaviour of the adhesive. Finally, similar and dissimilar single lap joints with High Strength Steel (HSS), Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) and Aluminium (Al) substrates were evaluated for room temperature (23ºC), 40ºC and 60ºC. The obtained results show a great influence of the temperature on the properties of the adhesives, as well as an amplification in the behaviours coming from the increase of the length of overlap and thickness of the adhesive. The results obtained for the dissimilar joints show that the global yielding mechanism of the adhesive was responsible for the rupture of the joints, regardless of the concentration of stresses. However, by comparing the dissimilar and similar joints, it was possible to see the existence of a complex mechanism that includes temperature, adherends combination and adhesive, until the failure of the joint.

Um dos maiores desafios para a indústria de transportes no século 21 é a redução das emissões e a economia de combustível. Para isso, estruturas mais leves são projetadas através da aplicação de diversos materiais, como ligas metálicas, pol,ímeros e compósitos. Através das utilização de juntas coladas, é possível combinar esses diferentes materiais com durabilidade e resistência, além de vantagens como amortecimento de vibrações e flexibilidade no design da junta. Juntas coladas são projetadas para trabalhar em uma faixa de temperaturas de acordo com a aplicação a que se destinam. No entanto, temperaturas diferentes resultam em um comportamento diferente da junta, devido à diversos fatores como a contração volumétrica do adesivo durante o processo de cura, diferentes coeficientes de expansão térmica (CTE) entre adesivos e aderentes e entre substratos dissimilares, que levam a tensões residuais na junta colada. Além disso, as propriedades dos adesivos também variam com a temperatura dado sua natureza polimérica. Neste trabalho, foi realizada a caracterização de um novo adesivo epóxi estrutural de dois componentes, BetameteTM 2096. Primeiro, mediu-se sua temperatura de transição vítrea para dois processos de cura distintos em ordem de escolher-se o mais adequado, bem como as temperaturas a serem utilizadas no ensaios (23, 40 e 60ºC). Posteriormente, a resistência mecânica de corpos de prova do adesivo maciço curado (bulk) foi medida em função da temperatura. A tenacidade a fratura em Modo I e II foi medida através dos ensaios Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF). Juntas de sobreposição simlpes de Aço Alta Resistência (HSS) caregadas em cisalhamento foram avaliadas foram avaliadas em função do comprimento de sobreposição (12,5 , 25 e 50mm), espessura do adesivo (0,2 e 1mm) e em função da temperatura (23, 40 e 60ºC) para uma avaliação completa do comportamento do adesivo. Finalmente, juntas de sobreposição simples similares e dissimilares com substratos Aço de Alta Resistência (HSS), Polímero Reforçado com Fibra de Carbono (CFRP) e Alumínio (Al solicitadas ao cisalhamento foram avaliadas quanto à temperatura ambiente (23ºC), 40ºC e 60ºC. Os resultados obtidos mostram uma grande influência da temperatura nas propriedades dos adesivos, bem como uma amplificação nos comportamentos provenientes do aumento do comprimento de sobreposição e espessura do adesivo. os resultados obtidos para as juntas dissimilares mostram que o mecanismo de escoamento global do adesivo foi responsável pela ruptura as juntas, à despeito da concentração de tensões. Todavia, comparando as juntas dissimilares e similares foi possível ver a existência de um mecanismo complexo que abrange temperatura, combinação de aderentes e adesivo, até a falha da junta.