Fase de reforço em fibra de carbono

A fibra de carbono tem a caracterização principal de alto desempenho juntamente com matrizes poliméricas termofixas, assim sendo utilizada em compósitos avançados.

Thomas Edson documentou em patente no ano de 1880, o documento foi registrado como o primeiro processo de manufatura de filamentos de carbono relacionados a lâmpada elétrica. Porém o real advento ocorreu a partir do ano de 1960 com a construção de equipamentos aeroespaciais e de estruturas que deveriam ter alto módulo de resistência aliado ao baixo peso.

De todos os processos de manufatura de fibras de carbono, o que detém a parcela mais significante de produção é o poliacrilonitrilo (PAN), seguido do processo resultante da celulose a rayons fibers, e o processo resultante do petróleo o alcatrão (pitch)

As fibras PAN em compósitos, apresentam boas propriedades mecânicas como, alta resistência a tração, alto modulo de elasticidade, baixa densidade, entretanto apresentam falta de resistência ao ar quente e também a chamas.

As fibras obtidas no processo de PAN apresentam maior resistência mecânica, já a fibras fabricadas no processo de pitch são as que atendem aplicações onde se necessita de alto modulo de elasticidade exemplificado na Tabela 1.

O processo de obtenção das fibras de carbono, Figura 5, se divide em quatro principais etapas, oxidação, carbonização, grafitização e tratamento superficial.

Figura 5 - Processo de obtenção de fibra de carbono modelo PAN

A etapa de oxidação ocorre em uma atmosfera rica em oxigênio a uma temperatura de 300°C que resulta na diminuição do ponto de fusão ocorrendo uma formação de estrutura reticular da cadeia molecular;

Carbonização – A cadeia criada na etapa anterior sofre um aquecimento em um forno repleto de gás inerte de forma progressiva até a temperatura de 1100 °C, resultando em fibras de boas propriedades mecânicas que podem ser utilizadas sem tratamento superficiais;

Grafitização – A fibra obtida na etapa anterior é alocada em um forno de atmosfera inerte com temperatura de 2600°C onde é feita a pirolise das fibras, ocasionando assim um elevado modulo de elasticidade e também um elevado grau de orientação da estrutura fibrosa;

Tratamento superficial – em um recinto com atmosfera rica em ácido sulfúrico ou ácido nítrico, modifica-se a estrutura superficial da fibra para que ela obtenha uma adesão alta entre a matriz e as fibras.

Assim de acordo com os módulos de elasticidade, pode se organizar as fibras de carbono em quatro classes: UHM com modulo de elasticidade superior a 500GPa, Hm com modulo de elasticidade de 300 GPa até 500 GPa; IM com módulo de elasticidade até 300 GPa; LM com modulo de elasticidade até 100 GPa .

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