Fiber Volume Fraction

Fração volumétrica de fibra

Um material compósito de fibra (como a fibra de vidro ou de carbono numa matriz polimérica) é definido, antes de tudo, por quanta fibra ele contém. Mas há uma sutileza: o que importa para as propriedades mecânicas é a fração em volume (V_f), não em massa — e o que se mede facilmente na fabricação é a massa. Como fibra e matriz têm densidades diferentes (a fibra costuma ser mais densa), é preciso converter. A fórmula faz isso transformando massas em volumes (volume = massa ÷ densidade) e tomando a fração: V_f = (W_f/ρ_f) ÷ [(W_f/ρ_f) + (W_m/ρ_m)] × 100%, onde W e ρ são massa e densidade da fibra (índice f) e da matriz (índice m). A fração volumétrica de fibra é o parâmetro mais importante de um laminado compósito, porque a maior parte das propriedades estruturais vem das fibras, e a regra das misturas as pondera pelo volume. Quanto maior a V_f, maiores a rigidez e a resistência na direção das fibras — por isso compósitos de alto desempenho (aeronáuticos, esportivos) buscam V_f elevada. Mas há um limite físico: as fibras não podem se tocar completamente; o empacotamento máximo teórico de fibras cilíndricas paralelas é ~78–91%, mas na prática, para garantir que a matriz molhe todas as fibras e transmita os esforços entre elas, V_f raramente passa de 60–70%. Acima disso, surgem vazios e regiões secas que arruínam as propriedades. Há, portanto, uma V_f ótima. Medir a fração de fibra real de uma peça fabricada (por calcinação da matriz ou digestão ácida, pesando a fibra remanescente) é um controle de qualidade essencial. Informe as massas e densidades da fibra e da matriz.