Fibras de Vidro e Carbono

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Fibras 
Fibras 
Fibras de vidro 
Vidro 
 Tetraedros de SiO2 
 Lig. Covalente 
 Material isotrópico 
 Na presença de Na2O, 
 lig. Iônica 
 Não se junta à rede do vidro 
 Teor limitado 
Fibras de vidro 
 Base sílica + óxidos 
 
E = isolante ē, bons σ e E 
 
C = resistente à corrosão 
 
AR, R ou S = alto teor de SiO2, suporta ↑T 
 
Fibras de vidro 
Fibras de vidro 
(p%) E C AR 
SiO2 55,2 65 65 
Al2O3 8 4 25 
CaO 18,7 14 - 
MgO 4,6 3 10 
Na2O 0,3 8,5 0,3 
K2O 0,2 - - 
B2O3 7,3 5 - 
Pelotização 
Vidro fusão 
Pelotização 
Refusão Fiação 
Fusão direta 
É o processo + 
usual 
Forno de fusão 
Fibras fiadas 
diretamente do 
forno de fusão 
Fusão direta 
Fusão (TF depende da composição) em forno ē, cadinho de Pt. 
Cada saída tem ~200 furos, 
vidro flui por g 
Fibras são bobinadas 
Temperaturas do vidro 
Fibras de vidro 
 São danificadas pela formação de defeitos superficiais 
 Revestimento plástico 
 Tratamentos superficiais 
 Revestimento plástico para permitir a compatibilização da fibra com 
as diferentes matrizes orgânicas 
 Composição da massa: 
 ligante (emulsões de poliacetato vinílico, resinas de poliéster ou epóxi) 
que permite manter os filamentos unidos, evitando-se movimento relativo 
e abrasão 
 Compatibilizante à base de compostos orgânicos de silício com o 
objetivo de facilitar a adesão fibra-matriz 
 Lubrificante 
 Agentes de impregnação 
 
FV 
 Para tecelagem 
 Recobertas com 
lubrificante, que pode ser 
removido por queima. 
 
 Compatibilizantes / 
ligantes 
 
 Promovem adesão química 
entre matriz e fibras 
 
 Organossilanos 
Organosilanos 
 R-(CH2)-Si-(X)3 
 
 R – grupos orgânicos 
 Cadeia de C 
 Amina, epóxi, metacrilato, 
estireno 
 
 X – grupos inorgânicos 
 Hidrolisam na presença de 
água para formar silanol (Si-
OH) 
Fibras de vidro 
 Umidade reduz a 
resistência da fibra 
 Suscetível à fadiga 
estática 
OBS: 
 GRP = plásticos 
reforçados com fibra 
 banheiros, dutos, 
painéis de janelas, 
tubos... 
 
Perigos 
 Inflamação 
 Quando inaladas as fibras e poeira encontrada na fibra de vidro, o corpo 
provoca uma reação alérgica em cadeia para tentar expulsar a substância 
estranha do corpo. 
 Espasmos 
 À medida em que a fibra de vidro entra na sua traquéia, ela continuará a causar 
inflamação. O revestimento dos dutos de ar produzirá muco o corpo continua 
tentando expulsar a substância invasora. Os tubos de respiração podem 
contrair-se, causando espasmos e produzindo um som de arquejo. 
 Lesão celular 
 As células de limpeza em seus pulmões (macrófagos), tentarão ingerir as 
partículas. Elas se tornarão cada vez maiores e explodirão, liberando partículas e 
produtos químicos que acarretam o crescimento de fibroblastos, que secretam 
tecido fibroso. Conforme fibroblastos liberam esse tecido, eles formam tecidos 
cicatriciais no lugar das células saudáveis. O dano é irreversível. 
 Fibrose 
 Quando o pulmão tem cicatrizes, ele não pode mais aceitar o oxigênio inalado. 
Uma queda no oxigênio enfraquece as células, causando danos nelas e nos 
tecidos ao longo do corpo. 
 
Fibras de carbono 
Fibras de C 
 Estrutura do grafite 
 
 Anisotrópico 
 
 E(no plano hexagonal) = 1000 GPa 
 Lig. covalente 
 
 E(eixo c) = 35 GPa 
 Van der Waals 
 
 
Produção de fibras de C 
 1º a manufaturar FC foi 
Thomas Edison 
 Filamento de lâmpadas 
 o inventor submeteu 
pedaços de bambu a alto 
calor 
 A celulose do interior do 
bambu carbonizou e 
transformou os fragmentos 
em fibras de carbono 
 Os filamentos de carbono 
deram resultado, mas 
deixavam o bulbo escuro. 
Então, Edison os substituiu 
por fios de tungstênio. 
 
Produção de fibras de C 
 Pirólise do precursor 
 
 PAN 
 Celulose (rayon, algodão) 
 Piche 
 
 
 
 
 
Produção de fibras de C 
Conforme o Propriedades 
Mecânicas Conforme T de trat. T 
 Módulo 
 Ultra-alto-módulo 
 > 500 GPa 
 Alto-módulo 
 (300 – 500) GPa 
 Módulo intermediário 
 (100-300) GPa 
 Baixo módulo 
 < 100 GPa 
 Resistência 
 Ultra-alta-resistência 
 σLRT > 5,0 GPa 
 Alta resistência 
 σLRT entre (2,5-5,0) GPa 
 
 
 Tipo I 
 T > 2000°C associada à 
fibras de alto módulo 
 Tipo II 
 T ~ 1500°C, associada a 
fibras de alta resistência 
 Tipo III 
 T < 1000°C, fibras de 
baixo módulo e 
resistência 
Produção de fibras de C 
Pirólise do 
precursor 
Remove O, N e H 
Obtém-se FC 
Melhores prop. mec. 
Estira-se o precursor 
durante o trat. T 
Aumento da 
cristalinidade 
Produção de fibras de C 
 Processo de fabricação das fibras de C 
 
 Estabilização 
 Tratamento que previne a refusão da fibra em trat. T posteriores 
 
 Carbonização 
 Remove elementos que não C 
 
 Grafitização 
 Melhora as propriedades da fibra 
 
 
PAN 
PAN 
 
Polímero 
atático 
linear 
Com 
grupos 
nitrila 
polares 
Ligados à 
cadeia 
Obtenção de fibra de PAN – fiação a seco 
Precursor é 
fundido 
Extrudado 
(fieira) 
Resfria na forma 
de fibras 
Obtenção de fibra de PAN – fiação a úmido 
Solução com ν 
adequada 
Extrudada 
através de fieira 
Em banho de 
coagulação 
Solvente é + 
solúvel nesse 
banho 
Polímero que 
emerge coagula 
em fibras 
Morfologia das fibras de PAN 
 Composta de sub-
unidades fibrilares 
 Regiões amorfas e regiões 
cristalinas 
 Fase cristalina tem textura 
lamelar perpendicular ao 
eixo da fibra 
 A orientação é melhorada 
com estiramento. 
 
 
 
Produção de FC a partir de PAN 
Produção de fibras de C - PAN 
Estabilização 
Estiramento da fibra alinha 
cadeias poliméricas 
Estiramento da fibra + Oxidação 
Sem estiramento, a cadeia relaxaria – sem orientação 
Sob tração 
a Tg aumenta 
Produção de fibras de C - PAN 
Fibras pretas obtidas na 
estabilização 
Aquecimento lento → mantém a 
ordenação molecular presente na fibra 
Produção de fibras de C - PAN 
Fibras obtidas 
↑Tg 
Na carbonização 
Ñ é preciso 
estirar 
Ainda há N2 e H2 
em excesso 
1000-1500 °C 
C na estrutura do 
grafite 
Com baixa 
ordenação das 
camadas 
hexagonais 
Produção de fibras de C - PAN 
Pouco t à 3000°C 
Melhora textura e E 
Produção de fibras de C - PAN 
 Resistência aumenta até 
~1500°C 
 Crescente formação de 
lamelas de hexágonos que 
vão se alinhando (FC de 
alta resistência) 
 T>1500°C 
 Resistência cai devido à 
saída de N 
 T até 2500°C 
 Alto modulo devido ao 
alinhamento das cadeias de 
grafite 
Rayon 
Produção de fibras de C - Rayon 
 Precursor de celulose 
 
 polpa da madeira 
 Termofixo 
 
 Rendimento de 
produção: 15-30% 
• Decomposição e evolução 
de H2O, CO, CO2 e 
alcatrão 
• Pode degradar cadeias 
Estabilização 
em atm 
reativa 
(<400°C) 
• 1000°C 
• atm de N2 
Carbonização 
(<1500°C) 
• 2800°C 
• Sob σ 
• Alinha cadeias do 
polímero 
Grafitização 
(>2500°C) 
Produção de fibras de C - piche 
Fibra de C 
PVC 
Asfalto 
Alcatrão 
de carvão 
Fontes de piche (aromático de baixa MW) 
Produção de fibras de C - piche 
Orientação, ↑taxa de deformação e elongação da moléculas 
(↑orientação) 
Piche comercial – mistura de vários compostos orgânicos 
Aquecimento à ~350°C → liquido cristalino altamente orientado 
Produção de fibras de C - PAN 
Grafitização 
Estiramento a 
quente das 
fibras 
3000°C 
Deformação 
plástica das 
fibras 
Alinhamento 
das camadas 
hexagonais 
Melhores 
propriedades 
mecânicas 
Rendimento de 
produção: 50% 
Mudanças μ-estruturais no processamento 
de fibras de C 
Fibras de C 
Fitas lamelares 
de grafite 
~‖ ao eixo da 
fibra 
Planos são 
interligados 
O grau de 
alinhamento 
(cristalinidade) 
Dependem da 
Tgrafitização 
Mecânica da fratura – fibras de C 
Aplicada a σ 
Na presença de “cristais” não 
paralelos ao eixo da fibra 
Formação de trinca 
Trinca cresce com a σ e quando no 
tamanho crítico,falha catastrófica 
Propriedades das fibras de C 
Grau de 
ordenação das 
fibras 
Aumenta c/ a 
Tgrafitização 
Depende do 
precursor 
Fibras de aramida 
fibras de aramida 
 a partir de poliamidas aromáticas 
 
 Nome comercial: Kevlar 
 
 Cadeia de poliamida longa em que ao menos 85% das ligações 
amida estão ligadas a 2 anéis aromáticos (benzenos) 
 Estrutura rígida 
 ↑Tg e ↓solubilidade – produção via 
 
 
 
Fibras de aramida – fabricação 
Solução-
policondensação 
De 
diaminas e 
haletos 
diácidos à 
↓T 
Fiação da 
solução 
Fibras de 
↑σ e ↑E 
Fibras de aramida – fabricação 
Solução-
policondensação 
De diaminas e 
haletos diácidos à ↓T 
Fiação da solução 
Fibras de ↑σ e ↑E 
Fibras de aramida – fabricação 
Polímero em 
solução 
Se poucas cadeias 
rígidas em solução: 
Sem ordem 
É possível maior 
dissolução se 
cadeias alinharem 
Morfologia de 
líquido cristalino 
Regiões com 
arranjo paralelo e 
regiões sem ordem 
Cadeias alinhadas c/ 
o eixo da fibra e 
centro s/ ordem 
Nematic liquid 
crystal 
Arranjo das cadeias 
longas de poliamida 
Fibras de aramida – fabricação 
Alinhamento 
de liquido 
cristalino ↑ 
Se solução 
submetida a 
cisalhamento 
Ex: extrusão 
↑concentração de polímero, ↑ν 
Ao assumir a forma de líquido 
cristalino 
↓ν (regioes cristalinas agem como 
partículas que ñ contribuem para ν) 
Se mto polímero, mtos cristais, ν↑ 
novamente 
Fibras de aramida – fabricação 
Jato-seco / fiação úmida 
Solução – policondensação de diaminas e 
haletos diácidos 
~0°C (Inibe subprodutos, Poliamidas 
lineares) 
Fibra precipita no gap do ar e o ácido é 
removido no banho de coagulação 
Rotação → alinhamento dos domínios → 
fibras cristalinas orientadas 
Polímero pulverizado e seco 
Fibras de aramida – estrutura 
Kevlar 49 
Alta 
cristalinidade 
Pela alta 
linearidade das 
cadeias 
Anisotropia 
↓E 
longitudinal 
↑Tg, ↑Tm 
Fibras de aramida 
Colete Atrito 
Fibras de Boro 
Fibras de B 
Chemical Vapor deposition - CVD 
 Boro 
 Material frágil 
 Leve 
 
 Fibras de B 
 São compósitas 
 Resistentes 
 Leves 
 Obtidas por CVD 
Fibras de B 
 CVD – Método da redução do haleto de B 
 H2 é usado para redução de haleto de B 
 2BX + 3H2 → 2B + 6HX 
 (X = Cl, Br, I) 
 T de processo mto altas, logo o substrato tem que 
ter ↑TF , ex: W 
 Substrato incandescente + gases (BCl3 + H2) 
reagem 
 10% conversão e recuperação do que não foi 
convertido 
 B amorfo (T<1000°C) ou cristalino (T>1000°C) 
 T crítica ↑ c/ o ↑da velocidade do substrato 
 Qt maior a vsubst, menor a espessura da fibra 
 
 
Fibras B, núcleo de W 
Composição: W, W2B, WB, W2B5, WB4, B 
Fratura das fibras-B 
B difunde para o W 
Núcleo expande 
Há tb ≠ 
coeficientes de 
expansão entre B e 
W 
Tensões residuais 
Pode gerar trincas 
na interface B-
núcleo 
Podem existir tb 
trincas superficiais 
B é frágil 
Fratura frágil a 
partir de 
concentrador de σ 
Propriedades mecânicas - fibras de B 
E ~ 380-400 GPa 
Tratamentos de superfície (ex. polimento, que diminui a quantidade de 
defeitos superficiais) bem como a espessura da fibra alteram suas 
propriedades mecânicas 
Fibras cerâmicas 
Fibras de alumina 
Lama de alumina 
Com ν 
adequada para 
fiar 
Fiação 
Fio é queimado 
a baixa queima 
Controle da 
contração e 
melhora da ρ 
Recobrimento 
de SiO2 (melhor 
superfície) 
Fibras de alumina 
Boeing Rigid Insulation (BRI) - The secret to BRI, beyond adding alumina fibers, 
was processing them so the fibers lay flat and conducted heat out horizontally 
rather than in, vertically, toward the Shuttle's skin 
Fibras de SiC 
 
 
 Produção por CVD 
 
 Deposição de SiC em 
filamento de W aquecido 
(1300°C) 
Fibras de SiC 
Mistura de gases 
(70%H2 e 30% 
silanos) no topo 
do reator 
Filamento de W 
também é inserido 
CH3SiCl3 → SiC + 
3HCl 
Obtém-se 
filamento de SiC 
 
Recupera-se o 
silano ñ-reagido 
dos gases (95% 
original + HCl) 
Compósito de SiC em turbina de motor de aeronaves 
traz menor peso e maior resistência à altas T 
OBS: