A Fibra de Carbono

        

UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO

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PROJETO INTEGRADOR DE MATERIAIS

FIBRA DE CARBONO

São Paulo

2023

PROJETO INTEGRADOR DE MATERIAIS

Fibra de carbono

Trabalho integrador         

PROJETO INTEGRADOR DE MATERIAIS

FIBRA DE CARBONO

São Paulo

2023

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2. Introdução

2.1 Fibra de Carbono

 As fibras de carbono, como as fibras de vidro, foram os primeiros reforços utilizados para aumentar a rigidez e resistência de materiais compósitos avançados leves, comumente utilizados em aeronaves, equipamentos de recreação e aplicações industriais. A expressão “fibra de carbono” geralmente se refere a uma variedade de produtos filamentares compostos por mais de 90% de carbono e filamentos de 5 a 15 µm de diâmetro, produzidos pela pirólise da poliacrilonitrila (PAN), piche ou rayon (Lubin,1969). Fibras de carbono são referidas normalmente como fibras de grafite, entretanto somente fibras de carbono de elevado módulo de elasticidade com estrutura de grafite tridimensional podem ser denominadas propriamente fibras de grafite. Em virtude de as fibras de carbono possuírem elevados valores de resistência à tração, módulo de elasticidade extremamente elevado e baixa massa específica, comparadas com outros materiais de engenharia, são utilizadas predominantemente em aplicações críticas envolvendo redução de massa. As fibras de carbono comercialmente disponíveis podem duplicar seus valores de módulo de elasticidade em relação às outras fibras de reforço, tais como aramida e vidro S, e exceder os metais em resistência à tração. Quando se utilizam materiais compósitos de fibras de carbono, a sua resistência e módulo de elasticidade podem ser orientados de modo otimizado para minimizar a massa final. Além da resistência e rigidez, as fibras de carbono possuem excelente resistência à fadiga, características de amortecimento de vibrações, resistência térmica e estabilidade dimensional. As fibras de carbono possuem também boa resistência elétrica e térmica e são quimicamente inertes, exceto quanto à oxidação (Callister,1997). Thomas Edson foi o primeiro a produzir intencionalmente filamentos de carbono pela pirólise do algodão para filamentos de lâmpadas incandescentes em 1878. Mais de 80 anos depois, o excelente desempenho de suas propriedades mecânicas foi demonstrada pelo crescimento de whiskers de grafite com resistência à tração de 2,0 GPa e módulo de rigidez de 800 GPa (Lubin,1969). A primeira fibra contínua comercial foi produzida nos anos de 1950 pela carbonização de rayon sintético para aplicações em mísseis em temperaturas elevadas. Entretanto a conversão do rayon em fibra de carbono não foi eficiente por causa do baixo rendimento de carbono, além de resultar em fibras com baixas propriedades mecânicas. Em meados da década de 1960, no Japão e na Inglaterra foi desenvolvido um processo mais eficiente de produção de fibras de carbono utilizando-se poliacrilo-nitrila (PAN). Este processo é utilizado hoje em dia por mais de 90% da produção de fibras de carbono comercial. Durante as últimas décadas, o processo tem sido melhorado em sua eficiência para aumentar a resistência das fibras, o seu módulo, resistência à manipulação e diminuir deformações e falhas (Wiebeck, 2005). Durante os anos de 1970, os esforços visavam à redução do custo das fibras com o uso do precursor piche, menos dispendioso. A Union Carbide comercializou fibras de carbono derivadas do piche de baixo módulo, baseado no precursor piche isotrópico e uma família de alto módulo de fibras de carbono baseado no precursor cristal líquido do piche. Infelizmente, deficiências na resistência à compressão de fibras e o alto custo na purificação do líquido cristalino do piche precursor (Lubin,1969) têm limitado a aceitação e crescimento de uso das fibras de carbono de alto módulo. Pesquisas recentes, para se desenvolverem fibras de carbono de baixo custo, incluem o crescimento dos filamentos de carbono pela deposição de carbono de gases, tais como monóxido de carbono, metano, ou benzeno sobre um metal catalisador.

https://maua.br/files/artigos/artigo-fibra-de-carbono-prof.-guilherme.pdf 

Bibliografia Callister, W. D. Materials Science and Engineering. Nova York: Ed. John Wiley & Sons. Inc, 1997. Lubin, G. Handbook of Composites. Nova York: Ed. Van Nostrand Reinhold,1982. Wiebeck H., Harada J. Plásticos de Engenharia: Tecnologia e Aplicações. São Paulo: Ed Artliber, 2005.

2.2 PROPRIEDADES FISICAS  (Paulo)

A fibra de carbono é um material altamente promissor, baseado na força das ligações carbono-carbono e na leveza do átomo de carbono [Taylor, 1994] as fibras de carbono no geral tem uma característica de baixo peso e alta rigidez, e isso depende do grau de orientação das fibras em construção, o paralelismo entre os eixos das fibras.

As fibras de carbono são fabricadas através da pirólise de fibras orgânicas, a temperatura do processo de fabricação comum pode variar de 1000º a 3000º, temperaturas acima disso são produzidas fibras com maior elasticidade.

A fabricação das fibras de carbono fabricadas a partir do Rayon pode ser moldada e esticada com temperaturas acima de 2800º (esse material base para a produção das fibras foram usado apenas de primeira mão pois o custo era alto). Após este período, as fibras foram produzidas a partir de fibras de poliacrilonitrila com um aquecimento de 250º para ser esticada, esse processo e feito em um ambiente de oxigênio para ganhar resistência, e quanto maior a energia de aquecimento ao filamento de carbono (o processo de carbonização da fibra ocorre quando o material é aquecido sem tensão em uma atmosfera inerte) maior será sua rigidez

Já no terceiro tipo de fibra de carbono se baseia no piche(mistura isotrópica de compostos aromáticos) como matéria-prima, as fibras a base de piche não tem nenhuma orientação preferencial, logo, baixa resistência de fibras. Porém o custo é menor comparado as outras matérias-primas acima. As fibras a base de piche tem uma alta resistência e modulo apenas se o piche for convertido a cristal liquido.

Fonte: Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibra de carbono (ufrgs.br) PAG 26

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