O desafio de identificar procedimentos de teste para compósitos de fibra de carbono reciclados

Fig. 1 Processo de reciclagem de fibra de carbono. Fonte | ELG fibra de carbono



O aumento exponencial na demanda global por produtos de fibra de carbono - e os resíduos associados ao seu consumo - levanta uma série de questões de sustentabilidade. A fibra de carbono tem uma energia incorporada tão elevada quanto a do alumínio, que é amplamente reciclado, e o descarte de resíduos de fibra de carbono tem um sério impacto na economia circular. Como resultado, as técnicas de reciclagem, como hidrólise, solvólise e pirólise têm ganhado força nas últimas duas décadas ¹ . Por exemplo, a técnica de pirólise do leito da cadeia, empregada pela ELG Carbon Fiber Ltd. (Coseley, Reino Unido), foi criada em escala industrial e estava recuperando mais de 1.300 toneladas métricas de CF por ano, a partir de 2017 ^{2 , 3} .

O grande desafio tecnológico da pirólise, entretanto, é sua incapacidade de recuperar a fibra de carbono da mesma forma que sua fonte. O produto final da reciclagem da pirólise é uma massa fofa e emaranhada de fibras descontínuas (ver Fig. 1). Um método eficiente e econômico para lidar com fibras de carbono recicladas (rCF) é a conversão de fibras em um tecido, semelhante à conversão de lã de lã em tecidos. Usando este método, a ELG converte o rCF em tecidos não tecidos distribuídos aleatoriamente, aplicados a seco, perfurados com agulha, que são moldados por compressão em resina epóxi. Devido à natureza porosa desses tecidos, no entanto, os laminados resultantes normalmente atingem apenas cerca de 30% da fração de volume de fibra.

Por causa dessas propriedades de comportamento do material, os compósitos rCF são diferentes dos compósitos convencionais, longos e contínuos de CF virgem reforçado com fibra (vCF) e, da mesma forma, exibem propriedades diferentes. Para compreender as capacidades, o comportamento mecânico e os limites do projeto dos compostos rCF, é essencial desenvolver um conjunto de dados confiável e caracterizá-los com métodos de teste adequados. Infelizmente, os códigos e padrões para testes em macroescala foram desenvolvidos para compósitos reforçados com fibra contínua em mente. Além disso, existem várias discrepâncias nos testes de nível de cupom na literatura e na indústria, mesmo para compósitos convencionais ⁴ . Adicionando mais complicações, alguns OEMs, como o Airbus, usam suas próprias práticas de teste internas para caracterizar os compostos vCF ⁵ . A introdução de compósitos rCF com sua arquitetura de reforço exclusiva em compósitos descontínuos e não tecidos aumenta ainda mais essa ambigüidade nos protocolos de teste de compósitos. Além disso, existe uma ampla escolha de métodos de teste para a medição de uma única propriedade. Embora a identificação do teste mais adequado seja demorada, é fundamental para a compreensão do comportamento mecânico do material. O objetivo principal da pesquisa dos autores foi determinar se os compostos não tecidos rCF exigiriam o desenvolvimento de um conjunto específico de protocolo de teste padrão, para avaliar e analisar seu uso em novas aplicações existentes e potenciais.

A orientação para um método de teste que é aparentemente tão simples quanto um teste de tração estática torna-se obscura no caso de compósitos rCF descontínuos e não tecidos. A prática comum é usar cupons retangulares de lados retos devido à simplicidade da preparação da amostra. Para compostos rCF, no entanto, o uso de cupons retangulares, conforme descrito por ASTM D3039 ou ISO 527-4 tipo 2 ou 3, com ou sem abas nas extremidades, resultou em falhas nas abas ou perto delas devido a uma transferência de tensão pobre para o medidor comprimento do espécime. De um tamanho de amostra de 150 espécimes retangulares, menos de 12,5% produziram uma falha de medida aceitável.

Existem várias causas possíveis para isso, incluindo preparação deficiente da amostra, método de introdução de carga, garras, velocidade de teste, geometria da amostra, etc. compostos, não produziram resultados melhorados para compostos rCF ⁶ . Neste ensaio, o uso da geometria dogbone, conforme descrito pela ASTM D638, resultou em um desempenho muito melhorado com mais de 80% dos espécimes falhando na região central do medidor, conforme ilustrado na Figura 2. Este design do espécime tem um impacto significativo nas características de tração, já que as amostras de geometria retangular tendem a falhar prematuramente.

Nosso estudo, usando amostras retangulares e de osso de cão compostas de rCF idênticas, resultou em uma redução de 10% e 20% na resistência à tração e rigidez, respectivamente, para as amostras retangulares em comparação com as amostras de osso de cachorro. O projeto de geometria aprimorado na carga de tensão também ficou evidente na fadiga cíclica. Em um determinado nível de estresse em um carregamento de tensão-tensão de fadiga, um cupom retangular poderia falhar em qualquer lugar entre algumas centenas de ciclos a mais de 3 milhões de ciclos de fadiga, enquanto a variabilidade nos ciclos até a falha para cupons de osso de cão era muito menor.



Fig. 2. Melhoria na transferência de tensão para o comprimento de medida de amostra em espécimes de osso de cão. Fonte | Karthik Krishna Kumar





Um padrão semelhante foi observado quando ambos os cisalhamento fora do plano e no plano foram avaliados. Embora o cisalhamento fora do plano ou cisalhamento interlaminar seja apenas um teste de controle de qualidade, uma série de métodos de teste foram estabelecidos para sua avaliação, como métodos de teste de cisalhamento de feixe curto (SBS) descritos por ASTM D2344 e ISO 14130, cisalhamento de duplo entalhe (DNS) por ASTM D3846 e o ​​muito recentemente desenvolvido Double Beam Shear (DBS) pela ISO 19927. Infelizmente, nenhum desses testes apresentou o resultado desejado de uma ruptura por cisalhamento interlaminar pura com compósitos rCF. A tendência comum era falhar por modos indesejáveis, como tração ou esmagamento, em vez de uma falha dominada por cisalhamento na amostra.

Um método que tem muito sucesso em submeter um material, compósito ou metal, a um estado de cisalhamento puro é o ensaio de cisalhamento Iosipescu, que usa um corpo de prova com geometria de entalhe em V. No entanto, para a avaliação do cisalhamento interlaminar, ASTM D5379 recomenda o uso de um painel de 76 milímetros de espessura que é praticamente impossível de ser fabricado sem a introdução de defeitos. A alternativa era unir os painéis com 76 milímetros de espessura, o que, em uma fabricação bem-sucedida do corpo de prova, poderia potencialmente resultar em uma falha de esmagamento na seção de aperto do corpo de prova com entalhe em V. Um projeto de amostra padrão remodelado reconstruindo apenas a seção crítica da amostra de entalhe em V evitou esse problema e resultou na geração de uma falha de cisalhamento interlaminar pura em compósitos de rCF.

O teste de cisalhamento Iosipescu foi, no entanto, inaplicável para o teste de cisalhamento no plano em compósitos rCF. A tendência era falhar por uma falha dominante à tração que era esperada, dada a distribuição da fibra no plano XY do laminado. Uma possível alternativa poderia ser o método de torção de placa conforme descrito pela ISO 15310, geralmente usado para compósitos de madeira. É claro que a natureza da arquitetura de reforço de fibra tem um efeito significativo no comportamento mecânico e na resposta do material para testes básicos de nível de cupom em macroescala estática. Além disso, verificou-se que o comportamento mecânico dos compósitos de rCF em carregamento cíclico é bastante diferente do dos compósitos vCF convencionais ou dos compósitos reforçados com fibras curtas.

Compósitos de fibra de carbono reciclados têm uma série de variáveis ​​de processamento de material que influenciam as características mecânicas, incluindo processo de moldagem, conteúdo de fibra, grau de módulo de fibra, grau de resina da forma de fonte de reciclados e interação fibra-matriz. A análise desses parâmetros é fútil e complicada sem o desenvolvimento de práticas de teste padrão dedicadas para um material que acabou de entrar no mercado. A British Standards Institution (BSI) abordou as especificações para sistemas de compósitos não convencionais, como plásticos reforçados com fibra de vidro, compostos de moldagem de folhas (SMC) e compostos de moldagem a granel (BMC), compostos termofixos, polímeros de madeira / compostos de fibra natural, compostos reforçados pultrudados e muito mais com padrões dedicados que identificam os métodos de teste aplicáveis. Os compostos de fibra de carbono reciclados agora exigem a mesma abordagem para permitir uma caracterização confiável.

Referências:

¹ Job, S., Leeke, G., Mativenga, P.T., Oliveux, G., Pickering, S. e Shuaib, N.A., 2016. Reciclagem de compósitos:Onde estamos agora. Composites UK Ltd .:Berkhamsted, UK .

² Jacob, A. (2019). Construindo confiança na fibra de carbono reciclada . [online] Disponível em:https://www.compositesworld.com/blog/post/building-confidence-in-recycled-carbon-fiber [Acessado em 29 de julho de 2019].

³ Inston, D. (2019). Casa aberta de fibra de carbono ELG apresenta tecnologia de reciclagem . [online] Disponível em:https://www.compositesworld.com/news/elg-carbon-fibre-open-house-showcases-recycling-technology [Acessado em 29 de julho de 2019].

⁴ Adams, D. (2019). Ensaios mecânicos de compósitos têxteis . [online] Disponível em:https://www.compositesworld.com/blog/post/mechanical-testing-of-textile-composites [Acessado em 29 jul. 2019].

⁵ Spendley, P.R., 2012. Projetos permitidos para estruturas aeroespaciais compostas .

⁶ Oplinger, D.W., Gandhi, K.R. e Parker, B.S., 1982. Studies of Tension Test Specimens for Composite Material Testing (No. AMMRC-TR-82-27). Centro de Pesquisa de Materiais e Mecânica do Exército Watertown Ma.

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Karthik Krishna Kumar é Ph.D. aluno da Oxford Brookes University, Reino Unido. Sua pesquisa envolve o desenvolvimento de práticas de teste adequadas para sistemas compostos de fibra de carbono reciclados e não tecidos, avaliação de seu comportamento à fadiga e durabilidade ambiental, para o uso seguro e sustentável de fibra de carbono em aplicações práticas.