MATERIAIS EMPREGADOS - FIBRA DE CARBONO

Um material polimérico compósito não metálico é chamado de 'fibra de carbono'. É composta por uma matriz (chamada de fase dispersa ou resina) que forma a peça, que contém uma fase de reforço ou dispersa, à base de fibras de carbono (cuja matéria-prima é o poliacrilonitrila). É um material muito caro, com altas propriedades mecânicas e leve. Como a fibra de vidro, é um caso comum de metonímia, no qual o nome completo de uma peça é fornecido, nesse caso, o nome das fibras que a reforçam.

Sendo um material compósito, na maioria dos casos - aproximadamente 75% - são utilizados polímeros termoendurecíveis. O polímero é geralmente resina epóxi, do tipo termoendurecível, embora outros polímeros, como poliéster ou éster de vinil também sejam usados ​​como base para fibra de carbono, embora estejam caindo em desuso.

Propriedades principais:

• Alta resistência mecânica, com alto módulo de elasticidade.

• Baixa densidade, em comparação com outros elementos, como o aço.

• Alto preço de produção.

• Resistência a agentes externos.

• Grande capacidade de isolamento térmico.

• Resistência a variações de temperatura, mantendo sua forma, somente se a matriz termofixa for usada.

• Boas propriedades retardantes de chama.

A fibra de carbono (FC) foi desenvolvida inicialmente para a indústria espacial, mas agora, à medida que o preço cai, foi estendida a outros campos: indústria de transporte, aeronáutica, esportes de alta competição e, ultimamente, encontramos a FC mesmo em carteiras e relógios de bolso.

O FC é composto por muitos fios de fios de carbono. Existem muitos tipos de FC com propriedades diversas, adaptados a muitas aplicações.

 Para se ter uma ideia, basta comparar o FC com o aço:

Características F. Aço Carbono
Mod. Resistência à tracção 3,5 1,3
Resistência específica 2.0 0.17
Densidade 1,75 7,9
 

Sua resistência é quase três vezes maior que a do aço e sua densidade é 4,5 vezes menor. Em termos de módulo de elasticidade, existe uma ampla faixa de FC de 240 a 400.

Outras propriedades muito apreciáveis ​​da fibra de carbono são a resistência à corrosão, o fogo e a inércia química e a condutividade elétrica. Com variações de temperatura, ele mantém sua forma.

A fibra de carbono é um polímero convertido em fibra. Na maioria dos casos, o FC permanece como carbono não grafitado. O termo fibra de grafite é justificado apenas quando os FCs são submetidos a um tratamento térmico de grafite (2000-3000 ° C), o que lhes confere uma ordem cristalina tridimensional, observável por raios-X.

Síntese de fibra de carbono 

Um método comum de obter filamentos de carbono é a oxidação e pirólise térmica do PAN (poliacrilonitrila), um polímero usado para criar muitos materiais sintéticos. Como todos os polímeros, o PAN forma longas cadeias de moléculas, alinhadas para tornar o filamento contínuo. Quando o PAN é aquecido em condições de temperatura corretas, as correntes do PAN são unidas lado a lado, para formar fitas de grafeno.

O PAN ou seu copolímero é girado usando a técnica de fiação úmida. A técnica de fiação às vezes derretida também é usada. O primeiro passo é esticar o polímero para que fique paralelo ao que será o eixo da fibra e se oxide a 200-300 ° C no ar, um processo que adiciona oxigênio à molécula PAN e cria a estrutura hexagonal. O polímero que antes era branco agora é preto.

As fibras à base de PAN têm diâmetros variando de 5 a 7 mícrons. E os de alcatrão de 10 a 12 mícrons. O FC é classificado pelo número de filamentos, em milhares, dos quais o segmento consiste. Um FC de 3k (3000 filamentos) é 3 vezes mais forte que um de apenas 1k, mas também pesa 3 vezes mais.

Com esse fio, um tecido FC é tecido

Carbonização

Para obter uma fibra de alta resistência, o tratamento térmico de carbonização é usado: o PAN é aquecido a 2000-2500 ° C em uma atmosfera livre de oxigênio, as cadeias de polímeros são alinhadas para formar folhas de grafeno, fitas bidimensionais muito finas e uma resistência à tração de 5.650 N / mm2.

Graffiti

No tratamento térmico da grafitização, se aquecermos o PAN a 2500-3000 ° C, obtemos a resistência máxima do FC: 531.000 N / mm2.

Agora é a hora de tecer a fibra, formar chapas e tubos, que serão impregnados em uma resina epóxi em um molde. Depois que a resina é curada e endurecida, ela deve ser modelada mecanicamente para obter o produto acabado, por exemplo: a lâmina de uma hélice. Existem vários tipos de fibras, desde as temperaturas de tratamento:

A fibra de alto módulo: é a mais rígida e requer uma temperatura de tratamento mais alta. Seu módulo de elasticidade excede 300 e até 500 GPa. Melhor ainda, a "grafite" de cristal único possui um módulo de 1050 GPa. O módulo de elasticidade 390 GPa é 70 vezes maior que o das ligas de alumínio.

A fibra de alta resistência à tração: é carbonizada na temperatura que fornece a maior resistência à tração, com valores superiores a 300 GPa.

A fibra padrão: é a estrutura mais econômica e isotrópica. A rigidez é menor do que nos anteriores; A temperatura do tratamento é mais baixa. É comercializado como fibras curtas.

Fibra de carbono ativada: possui velocidade de adsorção 100 vezes maior que a dos carvões clássicos ativados. É obtido através da carbonização e ativação física e química de diferentes precursores: breas, rayon, poliacetatos, etc. Possui uma grande área de superfície específica e tamanho de poro muito uniforme. A fibra vem na forma de feltros ou tecidos.

Vapor produzido na fase de vapor: Essa fibra é obtida por um processo catalítico de deposição química da superfície na fase de vapor (em inglês: fibras de carbono moídas a vapor VGCF). Devido à sua variedade de tamanhos, eles são uma ponte entre o FC convencional e a nanofibra.

A fabricação de material compósito

A escolha da matriz afeta profundamente as propriedades do produto acabado.

Folhas finas de FC aderem ao molde, que assumem o formato de peça desejado. Alinhamos as fibras do tecido na direção mais conveniente, porque as fibras são anisotrópicas. Impregnamos o tecido FC com resina.

Na resina, colocamos outro tecido FC impregnado com resina, e assim por diante sobrepondo tecidos e camadas de resina FC.

É fácil ver que há muito trabalho especializado. Quanto mais intensas as cargas que o produto suportar, por exemplo: uma lâmina de helicóptero, mais cuidadosos seremos para alinhar a direção da fibra corretamente.

Finalmente aqueça a peça ou cure-a no ar. Exposto à água não sofrerá corrosão e é muito forte se comparado ao pouco peso.

Se houver bolhas de ar no molde, a resistência final será reduzida.

Matrizes ou resinas

As matrizes são termoestáveis ​​ou termoplásticas.

A fibra não é usada por si só, mas para reforçar matrizes, por exemplo: a resina epóxi acima mencionada ou outros plásticos termoendurecíveis. Em algumas aplicações, a matriz é termoplástica.

Os termofixos

Esses polímeros são plásticos que curados a quente, ou outros meios, são transformados em um produto infusível e insolúvel. Eles são os mais utilizados (90%) em compósitos estruturais.

65% das matrizes termoestáveis ​​são poliésteres não saturados.

A maior vantagem do termoestável é que eles têm uma viscosidade muito baixa e podem ser introduzidos nas fibras a baixa pressão.

A impregnação das fibras inicia a cura química, que produz uma estrutura sólida, é um processo realizado isotérmica. A reciclagem, na prática, não é possível.

Termoplásticos

O termoplástico é capaz de ser amolecido repetidamente pelo calor e endurecido pelo resfriamento. Pode ser facilmente reciclado, o que é muito importante no setor automobilístico. Sua resistência ao impacto é excelente.

Os termoplásticos oferecem a vantagem de que a moldagem não é isotérmica, ou seja: o plástico quente e fundido é introduzido no molde a frio e, portanto, são alcançados ciclos muito curtos no tempo.

Mas os termoplásticos polimerizados em fusão geralmente têm viscosidades entre 500 e 1000 vezes mais altas que os termofixos. O processo, portanto, exige altas pressões e aumento de custos.

Ultimamente existe o processo de monômero líquido. A vantagem do monômero líquido termoplástico (por exemplo, Cyclics PBT) é que ele é processado isotérmica (injeção, polimerização, cristalização e desmoldagem na mesma temperatura), como se fosse um termoestável.

O "fio híbrido" é o método mais recente de processamento de termoplásticos: o polímero é introduzido na forma sólida, como pó ou fibra, e é conseguido misturar-se com as fibras de carbono. O "fio híbrido" torna-se tecido ou outras formas têxteis, aplica-se calor e pressão suficientes, o termoplástico derrete e preenche a curta distância que o separa da fibra de carbono. Em seguida, a peça impregnada é resfriada e obtemos o composto sólido.

O molde sob pressão ou “O saco a vácuo” é excelente para produtos de qualidade: o molde de regata de vela, com seus tecidos FC impregnados, é introduzido em um saco de paredes impermeáveis ​​e removemos o vácuo. As paredes flexíveis da bolsa pressionam fortemente o capacete e eliminamos as bolhas de ar. A interface do tecido FC e a resina também foram aprimoradas.

A fibra milagrosa

A Associação Japonesa de Fabricantes de FC chama isso: "Leve, forte e durável". Sem dúvida, possui um grande futuro industrial, mesmo fora da área do espaço aeronáutico. É o material tecnológico do século XXI, precursor dos nanomateriais. Preço alto, mas com tendência a cair.

Baixa densidade, excelentes propriedades mecânicas, eletricamente condutor, alto módulo de elasticidade e tração, resistente ao calor, baixa expansão térmica, estabilidade química, termicamente condutiva e também permeável aos raios X, uma propriedade importante em equipamentos médicos.

A indústria de transportes, especialmente aeroespacial, procura materiais compósitos (C / C) há décadas para substituir o metal. O objetivo é reduzir o peso do veículo e aumentar a eficiência.

A indústria de satélites e aeronaves militares assume a liderança; O alto preço do C / C não é um inconveniente. O X-32A, da Boeing, é um excelente exemplo.

As aeronaves comerciais já atingiram 10 a 25% do peso total da aeronave. Pela primeira vez, a Boeing agora nos oferece o 787, para 250 assentos, com 50% do peso em C / C, principalmente em fibra de carbono (FC).

Em artigos esportivos: varas de pesca, raquetes de neve, bicicletas, carros de fórmula 1, a fibra de carbono já é popular, embora seja cara.

A penetração continuará a aumentar até que os carros da série sejam alcançados.

Fora do transporte, na construção, um setor em que o peso é um pouco secundário, a fibra de carbono já é usada em pontes e passarelas. Ele ainda oferece vantagens econômicas sobre os métodos tradicionais.

A fibra de carbono é geralmente mais forte que Kevlar, ou seja, pode suportar mais força sem quebrar. Mas o Kevlar tende a ser mais difícil. Isso significa que ele pode absorver mais energia sem quebrar, ainda mais que a fibra de carbono.

Alguns tipos de fibra de carbono 

• 1x1 MALHA: Também chamado de fibra de carbono plana ou tafetá

  

• 2x2 MALHA: Também chamado de Twill Carbon Fiber ou Twill