A ascensão dos plásticos reforçados com fibra de carbono

Fibras de carbono em materiais plásticos

O uso de fibras de carbono em materiais plásticos tem uma longa história. Já em 1879, Thomas Edison fazia experiências com fibras de carbono feitas de fios de algodão e lascas de bambu. Na verdade, a primeira lâmpada incandescente aquecida por eletricidade continha fibras de carbono.

Na década de 1960, o Dr. Akio Shindo da Agência de Ciência e Tecnologia Industrial do Japão desenvolveu uma fibra de carbono baseada em poliacrilonitrila (PAN). A fibra resultante continha 55% de carbono.

O processo de conversão baseado em PAN rapidamente se tornou o método principal para a produção de fibra de carbono. Noventa por cento das fibras de carbono hoje são feitas de poliacrilonitrila (C ₃ H ₃ N) _n ou PAN, uma resina sintética de polímero orgânico semicristalina. Os 10% restantes são feitos de rayon ou piche de petróleo. As fibras feitas de PAN são extremamente fortes e leves. Essas fibras são ligadas por polímeros termofixos ou termoplásticos, como poliéster, éster de vinil ou náilon para fazer plástico reforçado com fibra de carbono ou FRP de carbono.

Adicionar fibra de carbono a um polímero tem muitos benefícios

A resistência à tração e o módulo de flexão são aumentados, assim como a temperatura de deflexão térmica ou HDT. Além disso, adicionar reforço de fibra de carbono diminui o encolhimento e o empenamento.

Cada fibra de carbono é um fio longo e fino feito de milhares de filamentos de carbono. Uma única fibra tem cerca de 5-10 μm de diâmetro e é composta principalmente por carbono. Cristais microscópicos no carbono se ligam em uma estrutura que é mais ou menos alinhada paralela ao longo eixo da fibra. É esse alinhamento de cristais que torna as fibras tão fortes.

Classificado por módulo de tração

As fibras de carbono são classificadas pelo módulo de tração * da fibra. O módulo de tração pode variar de 34,8 milhões de psi a 72,5-145,0 milhões de psi. O aço tem um módulo de tração de 29 milhões de psi, portanto, a fibra de carbono mais forte é cinco vezes mais forte do que o aço.

As fibras de módulo “baixo” têm um módulo de tração abaixo de 34,8 milhões de psi (240 milhões de kPa). As fibras também são classificadas em ordem crescente de módulo de tração como "módulo padrão", "módulo intermediário", "módulo alto" e "módulo ultra-alto". As fibras de carbono com uma classificação de módulo ultra-alto têm um módulo de tração de 72,5-145,0 milhões de psi (500 milhões-1,0 bilhão de kPa).

Fiação, Estabilização, Carbonização, Tratamento de Superfície e Dimensionamento

O processo de fabricação da fibra de carbono é parcialmente químico e parcialmente mecânico.

• Fiação: O PAN é girado usando um dos poucos processos de rotação. Esta etapa é importante porque forma a estrutura atômica interna da fibra. As fibras são então lavadas e esticadas até o diâmetro necessário. O alongamento também ajuda a alinhar as moléculas para auxiliar na formação dos cristais de carbono criados pela carbonização.
• Estabilizador: Nesta etapa, as fibras são tratadas com produtos químicos para alterar sua ligação linear para uma estrutura de ligação em escada termicamente estável. Os filamentos são então aquecidos no ar para que capturem as moléculas de oxigênio e mudem seu padrão de ligação atômica.
• Carbonização: As fibras são então expostas a um calor muito alto sem a presença de oxigênio, de forma que a fibra não pode queimar. Os átomos da fibra vibram violentamente, expelindo a maioria dos átomos que não são de carbono do precursor.
• Tratamento de Superfície: Após a carbonização, a superfície das fibras não se liga bem aos materiais usados ​​na fabricação de materiais compostos. Nesta etapa, a superfície das fibras é levemente oxidada por imersão em diversos gases ou líquidos.
• Dimensionamento: Neste processo, as fibras são revestidas para protegê-las de danos durante o enrolamento ou tecelagem.

Alguns produtos feitos de fibras de carbono são varas de pesca, bicicletas, equipamentos de golfe, raquetes de tênis, peças para aeronaves, pontes e automóveis.

* O módulo de tração é a força de tração que uma fibra de determinado diâmetro pode exercer sem quebrar. O módulo de tração é descrito em libras por polegada quadrada ou psi.

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