Trabalho escrito: Fibras de Carbono

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Universidade Federal do Piauí-UFPI
Curso de Engenharia de Produção-CT
Componente Curricular: CEP0004-Introdução a Manufatura Mecânica
FIBRAS DE CARBONO
Componentes:
Guilherme Tell de Araújo Costa Neto
Iannuan Kauê Silva Gomes
Marcos Antonio Oliveira Ferreira
Raimundo Bacelar de Carvalho Neto
Teresina, 29 de Julho de 2014
1.0 Introdução e Histórico.
A fibra de carbono é um material que é feito a partir de fibras muitas finas de átomos de carbono. Constituída de filamentos contínuos ou descontínuos, muito rígidos e mais finos que o cabelo humano. A fibra de carbono é identificável pela sua aparência quadriculada e única, tendo como componente precursor básico a poliacrilonitrila(PAN). As primeiras ocorrências desse material são atribuídas a Thomas Edson, que a fibra como filamento em lâmpadas elétricas incandescentes em 1879, embora este material só tenha começado a ser fabricado em 1964 devido às necessidades automobilísticas e principalmente aeroespacial. 
 Tal interesse se justifica pelas propriedades importantes das fibras de carbono onde podemos destacar a baixa densidade associada à alta resistência mecânica, propriedades essas fundamentais para corrida bélica e aeroespacial na época. As propriedades são semelhantes as do aço, entretanto com extrema leveza tendo como cor natural o preto. A principal aplicação é a fabricação de compósitos na maioria dos casos com polímeros termofixos.
Materiais carbonosos além de excelentes propriedades mecânicas também apresentam excelentes propriedades térmicas, fazendo que os mesmos possam ser utilizados em componentes utilizados a altas temperaturas (superiores a 1000º C). Atualmente as fibras de carbono são utilizadas em diversos setores, tais como indústrias de materiais esportivos, automobilística, aeroespacial, medicinal e na construção civil. Entretanto, as fibras não podem ser utilizadas sozinhas para uso mecânico elas precisam ser combinadas com outros materiais matrizes para obter produtos de excelente desempenho.
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 condutibilidade elétrica e são quimicamente inertes, exceto em ambientes altamente oxidativos.
O processo de obtenção dessas fibras, processos de fabricação, propriedades e diversas aplicações serão esmiuçadas nesse trabalho.
2.0 Obtenção das fibras de carbono e estrutura
2.1 Poliacrilonitrila(PAN)
A obtenção das fibras de carbono é um processo um tanto complexo. Primeiramente temos os precursores que podem ser o piche do petróleo, rayon ou poliacrilonitrila (PAN) que é a mais utilizado, este é um polímero obtido a partir polimerização da nitrila de acrílico, processo no qual unidades monoméricas bifuncionais são fixadas, uma de cada vez, conforme uma cadeia, para formar uma macromolécula linear. A PAN possui filamentos a partir de carbono que variam de 5 a 15 μm de diâmetro (Lubin,1969).
 No processo de obtenção das fibras, PAN em formas de fibras é submetida a um forno de oxidação de temperaturas que variam de 198 a 310º C, de 30 a 120 minutos, onde começa a ser cozinhado removendo o hidrogênio. Nessa etapa outros componentes gradativamente são retirados restando o carbono. A queima lenta faz o oxigênio do ar se ligar aos átomos de carbono que vão de uma cadeia linear para uma formação parecida com uma “escada” que é bem forte. (Figura 01). Durante a estabilização a densidade das fibras aumenta consideravelmente quando mais a cadeia polimérica for condensada. Fibras totalmente estabilizadas tem conteúdo de oxigênio superior a 6% em peso e densidade acima de 1,35%.
 Após o processo de estabilização as fibras emergem como um material bem forte, com teor de carbono de 68%. Em fornos com temperaturas ainda mais altas, cerca de 2000º C os restos de hidrogênio e nitrogênio serão retirados para criar uma fibra com 98% de carbono. A temperatura usada define basicamente a dureza da fibra e também a resistência à tração. A pirólise se define como uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto pela ação do calor, sendo assim a pirólise um mecanismo básico para a obtenção das fibras de carbono. Nessa etapa as fibras são aquecidas na ausência de oxigênio para que não queimem, formando cadeias cristalinas de carbono, processo este que chamamos de carbonização(Figura 02).
Figura 01- Síntese de fibra de carbono a partir da poliacrilonitrila
1-Polimerização
2-Ciclização
3-Oxidação
4-Reagente
	
Figura 02- Cadeias cristalinas de átomos de carbono
As fibras de carbono então passam por banho eletroquímico que tornam a superfície mais áspera e moldável para uso em compostos, em seguida a fibra é moldada em carretéis, ou podem ser trançadas em formas de um tecido orientado. A figura 03 resume a obtenção da fibra de carbono.
2.2 Fibras de piche
As fibras de carbono a partir de piche são menos encontradas e possuem rendimento bem inferior em relação à poliacrinonitrila embora os processos sejam semelhantes. O piche é curado por oxidação e carbonizado em temperaturas que variam de 500º a 1500º C e grafitizado em temperatura acima de 2000º C. Então essas fibras recebem tratamento e calibração. No processo de fiação as cadeias são melhores orientadas em temperaturas superiores a 3000ºC, garantindo uma melhor gratifização e grau de orientação, maiores temperaturas resultam num melhor modulo de elasticidade e resistência à tração.
Figura 03-Obtenção Geral das fibras de carbono
“Quando fibras de carbono são submetidas a tratamento térmico, observa-se uma diminuição da resistência elétrica com o aumento da temperatura. Este fato está associado ao maior grau de perfeição das cadeias de carbono, que são obtidas durante o processo de aquecimento deste material. Além disso, foi observado também que existe uma correlação entre os valores de resistência elétrica e os diferentes grupos funcionais presentes na superfície das fibras”. 
2.3 Comportamento mecânico, classificação e estrutura.
O comportamento mecânico das fibras também é estudado a partir de suas propriedades, como demonstra a Tabela 01(Plásticos de Engenharia, Wibeck).
Tabela 01- Propriedades Mecânicas as Fibras de Carbono
	Propriedades
	Fibras de Carbono de uso Geral
	Fibra de Carbono 
Alto Modulo
	Fibra de Carbono
Nova Geração
	Diâmetro μm
	7
	6
	5,3
	Densidade g/cm³
	1,76
	1,9
	1,82
	Modulo de Elasticidade Gpa
	3,5
	2,3
	7
	Resistência a Tração Gpa
	235
	490
	294
Em relação ao ponto de vista estrutural das fibras foram propostos dois modelos. O modelo de Johnsom e Tyson diz que as fibras são formadas por empilhamento de varias camadas de carbono como mostrado na Figura 03. Neste caso, o empilhamento esta ligado ao comprimento axial de carbono, enquanto que varias colunas uma ao lado da outra determinam a espessura da fibra.
 
Figura 04- Modelo de estrutura de fibras de carbono proposto por Johnson e Tyson, Lα:porção relativamente reta dos planos ao longo do comprimento do Reticulo Lc - altura dos componentes do grafeno.
“Já o modelo proposto por Ruland é bem diferente do proposto anteriormente, sendo atualmente o mais aceito. Neste modelo (Figura 04), as fibras são postas em grupos de fitas. Várias dessas fitas são ordenadas paralelamente formando vários conjunto de fitas denominados de microfibras, as quais se estendem em direção ao eixo axial da fibra de carbono. As superfícies axiais destas microfibras são formadas por diversos planos basais de grafite. No esquema mostrado na Figura 05, podem ser observadas também lacunas entre as microfibras com dimensões de 20 a 30 nm de comprimento e 1 a 2 nm de largura.
 Estas falhas aparecem durante a formação da fibra de carbono, devido às dobras das microfibras e imperfeições de empacotamento. Outros trabalhos têmdemonstrado que diferentes tipos de lacunas podem ainda aparecer devido à volatilização de materiais ocluídos nas fibras durante o aquecimento. Neste caso, estas falhas estruturais possuem dimensões muito maiores que aquelas descritas anteriormente, podendo alcançar comprimentos da ordem de 5 a 10 nm. “O resultado deste modelo estrutural revela que as fibras de carbono possuem uma baixa porosidade ao longo do eixo axial, entretanto ao longo da seção transversal a porosidade é bastante elevada.”
Figura 05-Modelo de estrutura de fibras de carbono proposto por Rulan,La-porção relativamente reta dos planos ao longo do comprimento do reticulo,Lc- altura do comprimento dos plano do grafeno.
3.0 Resinas
	
As primeiras funçõess das matrizes (resinas) são estabilizar a forma do componente e transmitir as forças entre as fibras. É importante ressaltar ainda que ao manter separada uma fibra da outra, a matriz promove a resistência a fadiga do material, pois impede que fibras adjacentes propaguem uma falha. Isso é verdadeiro para as matrizes do tipo polimérica.
As propriedades mecânicas de um componente que são particularmente afetadas pelas propriedades de uma matriz polimérica são a resistência a compressão longitudinal, a tração transversal e a resistência ao cisalhamento inter-laminar. Isso é chamado de “propriedades dominadas pela matriz”.
Como o nome indica, as matrizes poliméricas são constituídas basicamente de polímeros. Estes, por sua vez são longas cadeias moleculares cujo esqueleto é geralmente feito de átomos de carbono. O arranjo geral dessas cadeias poliméricas é frequentemente descrito como um arranjo em “espaguete”, por se assemelhar microscopicamente a um prato de espaguete. Entre os dois grupos que examinaremos abaixo a grande diferença residem no seguinte: no caso das resinas termorrígidas , isto é, as moléculas, se ligam umas as outras em vários pontos através de ligações covalentes fortes, ao passo que nos termoplásticos as ligações intermoleculares são fracas, conhecidas como ligações de Van der Waals.
Isso determina que as termorrigidas tenham propriedades mecânicas melhores que as termoplásticas. No entanto, estas últimas tem a enorme vantagem de poderem ser “modaldas através de processos térmicos. De uma maneira geral, a principal desvantagem das matrizes poliméricas é sua baixa tolerância.
3.1 Termorrígidas
A grande vantagem de se usar resinas desse tipo como matriz é o fato de que os componentes podem ser fabricados sob condições de baixa temperatura e pressão , permitindo que sua absorção pelas fibras seja muito boa.
As resinas termorrígidas são normalmente fornecidas em dois componentes: a resina propriamente dita, e o endurecedor ou “catalizador”. Isolados, embora com “validade” (“shelf life”) limitada, tais componentes não se modificam, mas ao se misturá-los uma série de reações químicas se inicia, o que se chama “cura”, e o desfecho final é a mudança de estado de “líquido viscoso” para “sólido.
As principais características das resinas termorrígidas são: 
sofrem mudanças químicas no processo de cura;
baixa elasticidade;
são frágeis; 
o processamento é irreversível;
absorvem umidade; 
são altamente resistentes a solventes.
 
Suas principais vantagens são: 
podem ser moldadas em formas complexas 
são resistentes ao escorrimento.
 A principal representante deste grupo são as resinas epoxy, de longe as mais usadas e as mais indicadas para aplicações de alto desempenho, o que inclui aplicações em maquinário aéreo.
3.2 Exemplificação dos principais tipos de resina
Resina Epoxy
Resina Poliéster
Resina Fenolítica
Resinas Vinil-Ester
Figura 06-Resina Polimérica e Fibra de Carbono
	
4.0 Processamento
4.1 Laminação Manual - Hand Lay Up
É um processo relativamente simples. As ferramentas são de baixo custo e erros de fabricação podem ser facilmente resolvidos. Em um molde previamente preparado a resina com desmoldante é aplicada com um pincel ou rolo. A fibra de carbono na forma de tecido são então aplicadas, sendo necessário um trabalho de certa formal artesanal para vedar todo o molde com esse reforço, eventuais bolhas de ar aprisionadas são retiradas por um rolo.
Outras camadas de fibra de carbono com resina vão sendo gradativamente aplicadas até se obter a espessura desejada. A cura ocorre em temperatura ambiente, após isso a peça será desmoldada, e passará por processos de rebarbação, e onde se obtem a peça final.
Figura 06- Hand Lay Up-
As principais vantagens: são de fácil aplicação e ensino, ferramentas de baixo custo, resinas com cura a temperatura ambiente, ampla diversidade de matérias produzidos. 
As principais desvantagens: Qualidade da peça vai depender da habilidade do operador, baixo controle sobre a viscosidade da resina, menor compactação da resina sobre a fibra.
Aplicações típicas: Peças de pequeno e médio porte, pranchas, e moldes arquitetônicos.
4.2 Laminação a Vácuo- Vaccum Bag
 O processo por laminação a Vácuo ou Vaccum Bag diferentemente do Hand Lay Up é utilizado em peças maiores. As peças podem ser curadas dentro de um forno fechado, o que aumenta o custo do processo. 
A pressão atmosférica, aplicada durante a cura compacta os tecidos de carbono, facilita o espalhamento da resina, reduzindo o conteúdo de bolhas de ar aprisionado. O saco de vácuo reduz a quantidade de voláteis emitidos durante a cura melhorando assim a segurança do processo. A laminação a vácuo garante peças de boa qualidade que têm um teor de reforço superior e uma melhor adesão entre as camadas, quando comparado com as peças preparadas utilizando o processo de Laminação Manual. 
Entretanto, o processo é mais demorado devido ao ensacamento da estrutura. O operador também deve ter um maior nível de habilidade do que de Hand lay-up. Podem ser utilizados sacos reutilizáveis​​.
Principais vantagens: Laminados com maior teor de fibra do que na laminação manual, menor quantidade de bolhas ou vazios, melhor distribuição da resina na fibra, mais seguro o saco a vácuo minimiza a quantidade de produtos emitidos durante a cura.
Principais desvantagens: O processo adicional (os equipamentos) aumentam o custo, maior nível de habilidade por parte dos operadores, 
Aplicações típicas: Bem larga, peças para barco, componentes de carros de corrida, quadros de bicicleta, etc.
Figura 08: Vaccum Bag em peça de fibra de carbono
4.3 Infusão a Vácuo
A fabricação da peça é dada dentro de um molde fechado. Na infusão a vácuo a pressão da cavidade do molde é inferior a pressão atmosférica.
Primeiramente é aplicado um desmoldante em torno do molde onde então a fibra é disposta. Uma pelicula flexível(“saco a vácuo”) é colocada sobre os reforços e fechados hermeticamente em torno da borda do molde. Duas conexões são colocadas no saco a vácuo, uma para a entrada de resina e a outra para a remoção do ar, então o vácuo é aplicado e a resina é injetada. Uma vez que a peça seja totalmente “mergulhada” em resina então acontece a cura. Após isso o saco plástico é retirado e a peça é obtida.
Principais vantagens: Apenas um lado do revestimento é moldado, menor custo de ferramentas devido a utilização do saco a vácuo, componentes de grandes dimensões podem ser fabricados, maior uniformidade na distribuição da resina.
Principais desvantagens: Processo relativamente complexo para se obter um bom desempenho, resinas devem ser de baixa viscosidade, podem ocorrer áreas não impregnadas e assim a peça ser descartada.
Aplicações típicas: Semi-produção de pequenos Iates, painéis de caminhões, kayaks, etc. 
Figura 09-Infusão a Vácuo
4.4 Bombinamento de filamentos(Filament winding)
Técnica que busca trazer propriedades mecânicas especifica do reforço de carbono e a seleção de uma resina orientada por rolos. As fibras saem de bobinas e são orientadas por rolos passando por um banho de resina, em seguida a peça passa por “rolos de aperto” para remover o excesso de resina e compactar o material, sendodirecionada por uma pela guia que está em constante movimento, as fibras são enroladas em um mandril que está rotacionando. Onde posteriormente ocorre a cura do material. O mandril é retirado e a peça é obtida.
Figura10-Filament Winding
Principais vantagens: Pode ser um método muito rápido, portando tem viabilidade econômica, o quantidade de resina pode ser controlado no processo, menor custo pois não necessita uma previa transformação da fibra em tecido, as propriedades estruturais do laminado podem ser muito boas devido a distribuição das fibras em várias direções.
Principais desvantagens: O processo limita-se a peças de forma convexa, a fibra não pode ser facilmente prevista ao longo do comprimento do componente, o custo do mandril para peças grandes pode ser elevado, a superfície do moldado não é esteticamente atraente.
Aplicações típicas: Tanques de armazenar produtos químicos, dutos, cilindros de oxigênio, extintores de incêndio.
4.5 Pultrusão 
A pultrusão é utilizada para a fabricação de peças de comprimento contínuo e seção transversal constante. As fibras são entrelaçadas e encaminhadas para um banho de resina, passam por uma matriz( onde ganham sua forma), depois prosseguem através de buchas onde o excesso de resina é removido. Posteriormente há o endurecimento da peça, seu corte e o produto final é obtido.
	Figura 11- Pultrusão.
Principais vantagens: Pode ser muito rápido, portanto viabiliza economia, o conteúdo de resina pode ser controlado com precisão, o custo da fibra é minimizado já que é retirado diretamente de uma bobina. Propriedades dos laminados podem ser muito boas, visto que os perfis têm um bom alinhamento e uma boa fração de fibras no volume da peça.
Principais desvantagens: Limitada a peças de perfil e de seção transversal constante, custo de matriz (a quente) são elevados
Aplicações típicas: Vigas e chapas usadas em reforços estruturais, escadas, pontes, etc.
5.0 Cura dos Compósitos:Autoclaves e Hidroclaves.
Autoclave e Hidroclave de um “tanque” devidamente fechado e lacrado, dentro do qual é colocada a peça recém trabalhada, que pode ainda estar sob vácuo, por exemplo. Então aumenta-se a temperatura (por meios eletrotérmicos ou por difusão de gases quentes) no interior do “tanque” e este funciona como um forno. O aumento da temperatura pode também provocar um aumento de pressão, ou então esta é aumentada por meios mais diretos.
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Figura 12- Representação Esquemtica de uma Autoclave
6.0 Aplicações de fibra de carbono
6.1 Industria Espacial e Aérea
Na aviação, partes das fuselagens e asas de aviões estão sendo feita em fibras de carbono. Isso possibilita a diminuição do peso do avião fazendo o gasto do combustível ser menor. 
Figura 14: representação esquemática do uso de variadas fibras na industria aérea.
 6.2 Industria Automobilística
Vários fabricantes utilizam a fibra de carbono para fabricar diversas partes de um carro,aumentando o desempenho do mesmo. Na Fórmula 1 o monobloco é feito em fibra de carbono,isso ajuda na segurança do piloto, pois é um provável impactado a energia é dissipada pela quebra da estrutura de fibras não sendo assim transmitida ao piloto. Alem disso, peças automotivas em carbono são mais leves, diminuindo o peso total do carro fazendo o gasto de combustível ser bem menor.
6.3 Industria Esportiva
As aplicações nesse setor são bem variáveis. A produção de produtos leves e resistentes com alto desempenho são ideias para essa industria competitiva. Confecção de tacos de golf, raquetes, capacetes, estrutura de bicicletas e remos são as principais aplicações.
Figura 14: Bicicleta em fibra de carbono
6.4 Construção Civil
A elevada resistência a tração da mesma que é aproximadamente 10 vezes a do aço para a mesma seção, alto modulo de elasticidade e rapidez na aplicação transformam as fibras de carbono em um ótimo aliado em uma serie de aplicações tais como: aumento da capacidade de suporte de vigas e laje, recomposição para a carga de um projeto prevista inicialmente em casos de projetos e/ou execução,reforços em pontes e viadutos.
Figura 15: Reforço em de fibras de carbono em vigas.
	
7.0 Conclusões
As fibras de carbono são materiais de alto desempenho e fundamentais para variadas aplicações nobres da sociedade atual. Ainda é um ramo passível de muitos estudos e desenvolvimento. 
Melhoras nas praticas de obtenção e processamento através de anos de pesquisa garantem características peculiares a este material, que se sobressai em relação a muitos outros. O carbono por ser muito versátil possibilita sua aplicabilidade em diferentes matrizes e com componentes de diferentes funções resultando em um produto eficaz e necessário em muitos ramos.
8.0 Referências
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Bento, M.S., 2004, “Estudo Cinético da Pirólise de Precursores de Materiais Carbonosos”, Tese de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, 213p.
Buckley, J.L., Edie, D.D., 1993, “Carbon-Carbon Materials and Composites” – 1º edition, Noyes Publication.
Fitzer, E., 1987, “The Future of Carbon-Carbon Composites”, Carbon, Vol. 25, Nº. 2, pp. 163-190.
Gonçalves, A., 2008, “Caracterização de Materiais Termoestruturais a base de Compósitos de Carbono Reforçados com Fibras de Carbono (CRFC) e Carbonos Modificados com Carbeto de Silício (SiC), Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, 226p..
Prado, V. J. S., 2009, “Molding of Composites by the Resin Infusion Process: Property Correlation”, MSc. Thesis, Technology Institute of Aeronautics, São José dos Campos, SP.
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Rand, B., 1993, “Matrix Precursors for Carbon-Carbon Composites”, in Essentials of Carbon-Carbon Composites, Chap.3, Royal Soc. Chemistry, London, UK.
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<http://www.nuplex.com/Corporate/home/>
<www.bdtd.ufscar.br/htdocs/tedeSimplificado//tde_busca/arquivo.php?codArquivo=5169>