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PROPRIEDADES SUPERLATIVAS DE 
COMPÓSITOS ESTRUTURAIS REFORÇADOS 
COM NANOTUBOS DE CARBONO
Luiz Claudio Pardini - CTA/IAE
Antônio Ancelotti Jr. - ITA
Agenda
Generalidades
Compósitos e Nanotubos
Estratégias incorporação
Conclusões
Mercado e aplicações
COMPÓSITOS
Ambiente de aplicações 
COMPÓSITOS ESTRUTURAIS
Espectro de propriedades
COMPÓSITOS ESTRUTURAIS
Objetivos para futuro : peso/custo
pe
so
 [%
]
Alvo : Tecnologia futuras
de estruturas
custos [%]
Tecnologia Metálica
padrão
Compósitos
Tecnologia corrente-30
-20
-10
10
-40 10-20-30 -10 3020
Metais
Tecnologia corrente
Fulerenos
R. F. Curl , H. W. Kroto , R. E. Smalley
Nanotubos
S. Ijima
O CARBONO E SUAS INOVAÇÕES
There´s Plenty of Room at the Botton
R. Feynman, 1959
Fonte : ScientificAmerican-Brasil
NANOTECNOLOGIA : O MENTOR
COMPÓSITOS x METAIS
Benefícios da competição
1970 1980 1990 2000 20202010
Projeto CRFC
Fairings
Pressure bulkhead
Keel beam
Painéis piso
Ligas Al, 
Usinagem alto desemp
LBW,
extrudados
Projeto Metal
LBW, EBW, 
Forjados grandes, 
Ligas Ti
Fuselagem
CRFC
Seção da Fuselagem
Center wing box
Estruturas
adaptivas,
SHM
FSW, Al-SiC
Al fundidos
avançados
FML
Moveables,
Rudder
VTP, HTP 
Flaps, 
Asa CRFC
efeito
efeito
efeito
efeito Al-Li
NTC
0
5
10
15
20
25
30
35
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
AERONAVES AIRBUS
Uso de compósitos CRFC
C
R
FC
 m
as
sa
 e
st
ru
tu
ra
l%
A300
A310/200
A320
A340-300
A340-600
A380
A400M
Ano
ESCALAS TÍPICAS DE COMPRIMENTO
• Espaçamento atômico : ~ 0,1 nm
• “Pitch” de molécula DNA : 3,4 nm
• Diâmetro de micela de surfactante : ~6 - 7 nm
• Raio giração de molécula polimérica : ~10 nm
• Diâm. partícula coloidal (em tinta) : ~200 nm
• Célula bactéria : ~2 µm
• Diâmeter cabelo humano : ~80 µm
Aeroespacial: Materiais elétricamente ativos, condutividade térmica e 
elétrica, compósitos estruturais nanoestruturados; etc.
Defesa: Proteção balística, sensores de campo; etc.
Energia: Armazenagem hidrogênio (célula combustível), eletrodos para 
bateria, etc. 
Eletrônicos: Reservatórios de calor, nanochips, cabeças disco rígido, etc. 
Medicina: Sistemas “drug delivery”, sensores, etc. 
Esportes: Compósitos para área náutica, bicicletas, etc.
Telecom: Antenas, amplificadores microondas, etc.
Automotiva: Células combustível, componentes estruturais, eletrônicos; 
etc. 
Consumo Geral: Displays planos, têxteis, pinturas, iluminação, filtração 
de água, etc.
NANOTUBOS DE CARBONO
Usos Potenciais
*
* ∼65 toneladas de NTC foram produzidas em 2004 (€$144 milhões)
*
* €$3 bilhões (crescimento ∼60% a.a.)
NANOTUBOS DE CARBONO
Oferta
Científica, Ago/2005
2005 €$5,0/g para até 1 kg MWCNT
Decréscimo de 10-100 no preço em 5 anos
NANOTUBOS DE CARBONO
Queda no preço venda
Científica, Ago/2005
• Propriedades Mecânicas
– Módulo Elástico : 0,5 - 1 TPa
– Deformação à ruptura : 6 - 30%
– Resistência à tração: 30 - 150 GPa
• Propriedades elétricas:
– Condutividade: 6000 Ω/cm
• Área superficial:
– até 1500 m2/g
• Condutividade térmica :
– 2000 W/m-K
• Diâmetro: 1 - 2 nm
• Razão de aspecto : 103 - 104
AS NOTÁVEIS PROPRIEDADES
DE NANOTUBOS DE CARBONO
Materials Division
AEROSPACE PROPULSION MATERIALS
3000
2500
2000
1500
1000
500
‘80 ‘90 ‘00 ‘10 ‘20
O
F
U
se
 T
em
pe
ra
tu
re
,
(T
ho
us
an
ds
 o
f H
ou
rs
)
AST
EPM UEET
AEROBASE
POLYMER MATRIX COMPOSITES
• Durability
• Green • Coatings
• Carbon 
Nanotubes
• Processability 
(Low Cost)
XWrought Disks IN-100
DISK-POWDER 
SUPERALLOYS
• Advanced Powder Compositions
• Processing Windows
• Fracture Resistant
~1150oF
~1400oF
Potential 
~1600oF 
Requires 
Coatings
NEW OPPORTUNTIES
Multi-Functional 
Materials 
•Self-Diagnostic
•Self-Healing
•Photonic Materials
•Smart Materials
•Sensor/Actuator
•Nanostructured Alloys
Nanotechnology 
Based Polymeric 
Materials
Strength
Weight
Built-In 
Reliability
Computationally 
Designed Materials
10% Density
Development Time
Reduced Cost
Built-In 
Reliability
Predicted 
Performance
Ceramic Matrix 
Composites
3000oF
Built-In Reliability
SiC Nano 
Composites
Environmental and 
Thermal Barrier 
Coatings
X
X
Single Crystal Blades
PWA 1480
Thermal Barrier Coatings o
n Static Components
Initiate Research
CERAMIC MATRIX 
COMPOSITES
THE
RMA
L
BAR
RIER
COA
TING
S
~1950•
Advanced 
Metallic Airfoils
• New Comps
• Advanced 
Coatings
SINGLE CRYSTAL 
BLADES
• Advanced Compositions
• Advanced Thermal Barrier Coatings
~210
0oF
•
•
2700
o F
2400
o F
Stat
ic 
Com
pon
ents
Rotati
ng 
Comp
onent
s
+600oF Thermal 
Barrier Coatings
•
Short Life 
Space Applications
Commercial
Aircraft
•
• Woven Preforms
• CVI Processing
• Advanced Fiber
HRGdsp 
08/03/01
Environmental 
Coatings
Thermal Barrier 
Coatings
•
•
• PMR-15
• Carbon 
Nanotubes
“Macro”-compósito: 
Nano-compósito :
10 µm
10 nm
Região
interfacial
0 < z < Rg
Região
mássica
z > Rg
vidro E/poliolefina
montmorilonita/epóxi
Reforço
1>>
l
L
mµ1=l
nm1=l
Importância da razão de aspecto e da área
interfacial reforço/matriz
Consideremos agora 1%/volume de SWNT no 
mesmo volume de compósito. Diâmetro do tubo é 1 
nm. Comprimento total do tubo é L = (0,1 10-6
m3)/π(5 10-10)2 = 127 106 km (quase a distância ao
Sol…) e a área interfacial será 399 m2 !
Considerar um compósito de 10 cm3 e 60%/volume
fibras de carbono em matriz polimérica. Diâmetro
filamento = 7,5 µm. Comprimento total filamento
é L = Volume/πr2, então (6 10-6 m3)/π(3,75.10-6)2 =
135 km. A área interfacial reforço/matriz será
S = 2πrL = 3,2 m2.
Dimensão micro ⇔ nano
- INCORPORAÇÃO NA MATRIZ (POLIMÉRICA, CERÂMICA, 
METÁLICA)
- INCORPORAÇÃO COMO DEPOSIÇÃO NAS FIBRAS DE 
CARBONO
- INCORPORAÇÃO EM PREFORMAS
- INCORPORAÇÃO COMO BUCKYPAPER
- INCORPORAÇÃO NA FIBRA DE CARBONO
- REAÇÃO COM MATRIZ POLIMÉRICA
- MÉTODOS SIMULTÂNEOS
NANOTUBOS DE CARBONO
Estratégias de agregação em compósitos
• INCORPORAÇÃO NA MATRIZ
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
150 µm
mecha
fibras
matriz
• INCORPORAÇÃO NA MATRIZ
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
• INCORPORAÇÃO NA MATRIZ
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
• INCORPORAÇÃO EM PREFORMAS
NANOTUBOS EM COMPÓSITOS
Permissão : Ricardo Vieira – INPE
• INCORPORAÇÃO NA SUPERFÍCIE FIBRAS DE CARBONO
NANOTUBOS EM COMPÓSITOS
Permissão : Ricardo Vieira – INPE
FILTRAÇÃO
E LAVAGEM 
FILTRAÇÃO
• INCORPORAÇÃO COMO BUCKYPAPER
NANOTUBOS DE CAFBONO EM COMPÓSITOS
Fitas de MWNT
5 cm largura/1 m comprimento
University of Texas at Dallas/USA Commonwealth
Scientific and Industrial Research Organization
(CSIRO) Textile and Fibre Technology, 
Australia, Agosto/2005
NANOTUBOS DE CARBONO 
EM COMPÓSITOS
• INCORPORAÇÃO COMO BUCKYPAPER
• CO-EXTRUSÃO COM FIBRAS PRECURSORAS
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
2
4
6
8
10
11
12
14
16
18
20
0,05 0,1 0,15 0,20
PAN
PAN / 1%-massa SWNT
Te
ns
ão
 (M
P
a)
Deformação (%)
σtração E (GPa) ε (%)
PAN 8,9±1,6 0,23±0,07 18,9±3,2
1%/m SWNT 19,4±2,1 0,65±0,12 8,4±3,6
• CO-EXTRUSÃO COM FIBRAS PRECURSORAS
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
Coleman et. al. , Small but strong....
Carbon 44 (2006) 1624–1652
Fibra de Carbono/20 
%/massa MWNT
• CO-EXTRUSÃO COM FIBRAS PRECURSORAS
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
Fiber placement
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
Integração total
SWNT aberto configuração lateral zig-zag
Co-polímero graftizado
Fixação lateral com ligações cruzadas
Ligações cruzadas
Nanotubo-copolímero em bloco
Mono-epóxi: PGE
PGE-NTC
Di-epóxi: Epon 828
Epon-NTC
NTC
Auad, M. L. et al, J. J APPL POLYM SCI 66: (6) 1997
Surface Treatment (Continued)
A B
NANOTUBOS DE CARBONO EM COMPÓSITOS
Funcionalização
• Gerais
- dispersão uniforme de NTC
- adesão interfacial NTC/matriz
- transferência de tensões (shear lag effect)
- alinhamento
- custo
CONCLUSÕES
Hot spots
• Compósitos Matriz Cerâmica
- estabilidade alta temperatura, tenacidade e 
resistência à fluência• Compósitos Matriz Metálica
- avanços na condutividade elétrica
• Compósitos Matriz Polimérica
- adesão interfacial NTC/FC
- “extrusabilidade” NTC/FC
- integração / “self-assembly”
POTENCIALIDADES
- INSUMOS NACIONAIS
- CONHECIMENTO DO PROCESSO
- CONHECIMENTO DO MATERIAL
- DOMÍNIO DA TECNOLOGIA
FRAGILIDADES
- DISPONIBILIDADE FIBRAS DE 
CARBONO
-- QUALIFICAÇÃO DE COMPONENTES
OPORTUNIDADES
- AUMENTO DAS APLICAÇÕES DE ALTA 
DEMANDA
- REDUÇÃO DE CUSTO
- TECNOLOGIA EM CONSTANTE 
EVOLUÇÃO
AMEAÇAS
- NECESSIDADE DE INVESTIMENTO
- MERCADO COMPETITIVO
NANOTUBOS EM COMPÓSITOS
Análise SWOT
Obrigado !Obrigado !
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