Como funciona: Fibra de Carbono

 

O que é ?

 

As fibras de carbono está presente nas aeronaves sobrevoando, nas bicicletas mais poderosas, em acessórios para esportes, dentre outras inúmeras aplicações deste material. São, frequentemente, o tipo de reforço mais utilizado no processamento de compósitos estruturais de matriz polimérica, além de possuir, demanda para diversas áreas da tecnologia e inovação.

Consiste na composição de uma fibra sintética, obtida através de polímeros sintéticos, como por exemplo, poliamida (náilon), poliacrílicos, elastômeros, derivados do polivinilo, entre outros, composta de filamentos de 5 a 10 micrômetros de diâmetro, onde cada filamento é a união de milhares de fibras, tendo como material base o carbono, possuindo também outros elementos em sua constituição.

Essas destacam-se dentre as outras fibras, por sua alta resistência mecânica, alto módulo de elasticidade e menor massa específica, além de propriedades como inércia química, resistência térmica e condutividade elétrica. Entretanto, sabe-se que a fibra de carbono possui baixa afinidade com determinadas matrizes poliméricas, dada pela síntese destes materiais.

 

História da fibra de carbono

Em 1879, Thomas Edison cozeu fios de algodão ou lâminas de bambu a altas temperaturas, carbonizando-os em um filamento de fibra de todo-carbono usado em uma das primeiras lâmpadas incandescentes para ser aquecido por eletricidade.  Em 1880, Lewis Latimer desenvolveu um filamento de fio de carbono confiável para a lâmpada incandescente, aquecida por eletricidade.

Em 1958, Roger Bacon criou fibras de carbono de alta performance no Centro Técnico Union Carbide Parma, agora GrafTech International Holdings, Inc., localizado fora de Cleveland , Ohio . Essas fibras foram fabricadas por aquecimento de cordões de rayon até carbonizar . Este processo provou ser ineficiente, uma vez que as fibras resultantes continham apenas cerca de 20% de carbono e tinham propriedades de resistência e rigidez baixas. No início dos anos 60, um processo foi desenvolvido pelo Dr. Akio Shindo na Agência de Ciência e Tecnologia Industrial do Japão, usando poliacrilonitrila (PAN) como matéria-prima. Isto tinha produzido uma fibra de carbono que continha cerca de 55% de carbono. Em 1960, Richard Millington, da HI Thompson FiberglasCo., desenvolveu um processo (Patente US No. 3 294 489) para produzir uma fibra de elevado teor de carbono (99%) utilizando raion como precursor. Estas fibras de carbono tinham resistência suficiente (módulo de elasticidade e resistência à tracção) para serem utilizadas como reforço para compósitos com propriedades de resistência ao peso elevadas e para aplicações resistentes a altas temperaturas.

A elevada potência potencial da fibra de carbono foi realizada em 1963 num processo desenvolvido por W. Watt, LN Phillips e W. Johnson no Royal Aircraft Establishment em Farnborough, Hampshire . O processo foi patenteado pelo Ministério da Defesa do Reino Unido, então licenciado pelo NRDC para três empresas britânicas: a Rolls-Royce já fabrica fibra de carbono, Morganite e Courtaulds . Dentro de alguns anos, após o uso bem sucedido em 1968 de uma montagem de ventilador de fibra de carbono Hyfil no Conways do Vickers VC10s operado pela BOAC , Rolls-Royce aproveitou as propriedades do novo material para entrar no mercado americano com a sua RB-211 motor aero-motor com lâminas de compressor de fibra de carbono. Infelizmente, as lâminas revelaram-se vulneráveis aos danos causados pelo impacto das aves . Este problema e outros causaram Rolls-Royce tais contratempos que a empresa foi nacionalizada em 1971. A planta de produção de fibra de carbono foi vendido para formar “Bristol Composites”.

No final dos anos 1960, os japoneses assumiram a liderança na fabricação de fibras de carbono com base em PAN. O acordo de tecnologia conjunta de 1970 permitiu que a Union Carbide fabricasse o produto superior do Japão Toray Industries e os Estados Unidos para dominar o mercado. Morganite decidiu que a produção de fibra de carbono era periférica para o seu core business, deixando Courtaulds como o único grande fabricante do Reino Unido. A colaboração contínua com a equipe de Farnborough mostrou-se útil na busca por maior qualidade e melhorias na velocidade de produção, já que a Courtaulds desenvolveu dois mercados principais: aeroespacial e equipamentos esportivos. No entanto a grande vantagem de Courtaulds como fabricante do precursor “Courtelle” agora se tornou uma fraqueza. O baixo custo e a pronta disponibilidade de Courtelle foram vantagens potenciais, mas o processo inorgânico à base de água usado para produzi-lo tornou o produto suscetível a impurezas que não afetaram o processo orgânico usado por outros fabricantes de fibra de carbono.

No entanto, durante a década de 1980 Courtaulds continuou a ser um grande fornecedor de fibra de carbono para o mercado de artigos esportivos, com Mitsubishi seu principal cliente até um movimento para expandir, incluindo a construção de uma fábrica na Califórnia, acabou mal. O investimento não gerou os retornos antecipados, levando a uma decisão de sair da área e Courtaulds cessou a produção de fibra de carbono em 1991. Ironicamente, o único fabricante britânico de fibra de carbono sobrevivente continuou a prosperar fabricando fibras com base no precursor de Courtaulds. A RK Carbon Fibers Ltd, sediada em Inverness, concentrou-se na produção de fibra de carbono para aplicações industriais, eliminando a necessidade de competir com os níveis de qualidade alcançados pelos fabricantes estrangeiros.

Durante a década de 1960, o trabalho experimental para encontrar matérias-primas alternativas levou à introdução de fibras de carbono feitas a partir de um passo de petróleo derivado do processamento de petróleo. Estas fibras continham cerca de 85% de carbono e tinham uma excelente resistência à flexão. Além disso, durante este período, o governo japonês apoiou fortemente o desenvolvimento de fibra de carbono em casa e várias empresas japonesas como Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon e Mitsubishi iniciaram seu próprio desenvolvimento e produção. À medida que avançavam para se tornarem líderes de mercado, as empresas nos EUA e na Europa foram encorajadas a assumir essas atividades também, seja por meio de seus próprios desenvolvimentos ou aquisição contratual de conhecimento de fibra de carbono. Essas empresas incluíam a Hercules, a BASF  e a Celanese USA e a Akzo na Europa.

Desde o final da década de 1970, outros tipos de fios de fibra de carbono entraram no mercado global, oferecendo maior resistência à tração e maior módulo de elasticidade. Por exemplo, T400 de Toray com uma resistência à tracção de 4.000 MPa e M40, um módulo de 400 GPa. As fibras de carbono de Toray, Celanese e Akzo encontraram seu caminho para a aplicação aeroespacial de secundário a primário primeiro em aeronaves militares e mais tarde em aviões civis como em aviões McDonnell Douglas, Boeing e Airbus. Em 2000, as aplicações industriais para peças de máquinas altamente sofisticadas na Europa média estavam se tornando mais importantes.

A capacidade de produção adicional foi adicionada desde o ano 2000. Principais instalações de produção começaram na Turquia, China e Coréia do Sul.

Impressão 3D: Uso de nylon com fibra de carbono na GE Celma (Aviação) no Brasil

Máquinas de dois metros de altura para a impressão 3D rápida de ferramentas e gabaritos leves, muito resistentes e inovadores utilizados nos processos de revisão e manutenção de peças e motores de aeronaves.

O que para muitos pode parecer enredo de filme de ficção científica é realidade no dia a dia da GE Celma, a unidade da GE Aviation no Brasil.

Embora as impressoras 3D sejam parte da rotina do local desde 2015, a grande inovação do processo brasileiro é o material das impressões 3D: nylon reforçado com fibras de carbono.

Ele substitui o termoplástico ABS empregado anteriormente.

Rodolpho Pereira, engenheiro de reparos e líder de manufatura aditiva da GE na América Latina, lembra como foi essa trajetória.

“Quando as primeiras máquinas vieram da GE EUA para Petrópolis [cidade do RJ onde fica a GE Celma], eram uma novidade no Brasil. Elas imprimiam em ABS e fomos testando como o material se comportava em altas temperaturas, como eram suas resistências mecânica e química. Percebemos que havia limitações e que, para alguns processos, ele poderia ser melhor.”

Assim nasceu a ideia de trabalhar com a junção de nylon e fibra de carbono, uma liga bem mais resistente que o ABS em todos os aspectos. E o melhor: mais leve e de impressão muito mais rápida.

Depois de passar por testes de eficácia, o material foi oficializado na prática da GE Celma. “Conseguimos ser a primeira empresa do Brasil a colocá-lo em uso graças ao alto investimento da GE”, afirma Rodolpho.

Retorno em tempo, material e custos

O retorno do investimento já é percebido de forma abrangente na rotina de trabalho.

Quando o assunto é tempo, a diferença é impressionante. Um processo que antes levava seis meses entre projeto e construção de uma ferramenta ou de um gabarito hoje pode ser reduzido para 48 horas.

A confecção simples de um desses itens pode ser realizada em três minutos; anteriormente, gastava até quatro horas.

Também há uma economia significativa no material utilizado para a revisão e a manutenção das peças e dos motores.

O engenheiro explica: “Só é colocado material onde é preciso. Não há uma produção de excesso, ela é exata para cada necessidade.”

Tudo isso se traduz em dinheiro, naturalmente. Rodolpho conta que “gabaritos que, em outros materiais, custariam até US$ 6 mil podem ser feitos com um custo de US$ 400 quando se emprega o nylon com fibra de carbono”.

Ao alcance de todos

Além da inovação em si e tudo que ela significa para a engenharia, um orgulho de Rodolpho é ver as máquinas ao alcance de todos os funcionários da GE Celma. “Decidi tirá-las do piso da engenharia e as coloquei no piso do chão de fábrica, em uma sala de vidro, onde todos podem vê-las e acessá-las. As máquinas não são da engenharia, são da fábrica”, defende.

Como resultado, surgem muitas sugestões de uso e empregabilidade que são testadas e não prejudicam o tempo de trabalho geral, como garante o engenheiro: “A gente faz e, se der certo, ótimo; se não, fica o aprendizado. Tudo na engenharia depende de testes e, se for para errar, é melhor que seja rápido.”

Expansão da impressão 3D para outras áreas

Olhando adiante, Rodolpho vislumbra que a hoje inovadora impressão 3D em nylon com fibra de carbono pode se tornar um recurso interessante para outras áreas, como a de energias renováveis: “O investimento é caro, mas o retorno em termos de negócios e de desenvolvimento é infinitamente mais alto”.

Como  Funciona ?

Ele está nas aeronaves que vemos sobrevoando os céus de todo o mundo e também está nas bicicletas mais poderosas. Podemos ver as aplicações em acessórios para esportes — como tacos, raquetes e vários outros — e nos painéis dos carros. Você pode não saber como ele é feito e nem conhecer todas as aplicações possíveis, mas você certamente já ouviu falar deste material: fibra de carbono.

Sendo um material sintético, a fibra de carbono é composta por filamentos construídos majoritariamente de carbono, mas não apenas desse elemento — pois há outros utilizados para a produção dos filamentos e também para a sustentação das fibras. Entretanto, o que faz da fibra de carbono um material tão elogiado e utilizado em todo o mundo? Por que queremos que esteja cada dia mais presente?

A resposta para isso é relativamente simples, mas precisa de uma base que você vai conferir agora mesmo. Em resumo, a fibra de carbono é leve e forte, sendo uma excelente opção para o ferro. Como ela pode substituir outras ligas e por que isso tem sido muito importante nos últimos anos é o que você vai descobrir… Acredite, a fibra de carbono está mais presente na sua vida do que você imagina.

Como é feita esta fibra?

A principal matéria-prima das fibras de carbono é o polímero de poliacrilonitrila — obtido a partir da polimerização de uma variação do acrílico. A vantagem dessa fonte é a alta concentração de carbono, uma vez que mais de 90% dos átomos no material são justamente disso. Durante a produção, o polímero é esticado e se torna paralelo ao eixo das fibras, formando uma liga bem rígida e resistente.

Depois dessa etapa, ocorre uma oxidação em altas temperaturas (de 200 °C a 300 °C) para fazer com que os átomos de hidrogênio sejam removidos das chapas ou ligas — ao mesmo tempo que o oxigênio é adicionado. Em seguida, ocorre um novo aumento de temperatura até 2.500 °C, para que ocorra uma total carbonização. Ao final de tudo isso, ainda existe o dimensionamento. Este processo é o da moldagem, em que as fibras são tecidas (em fios com até 10 micrômetros de espessura) e depois resinadas para se unirem — isso será mais bem descrito no decorrer do texto.

Resumindo… A produção das fibras de carbono é dividida em quatro etapas indispensáveis: polimerização por pirólise (extração do carbono a partir do superaquecimento da poliacrilonitrila); ciclização (método de esticamento dos polímeros para o eixo da fibra); oxidação (extração do hidrogênio e adição do oxigênio); e adição de reagente (quando o epóxi será adicionado para a moldagem das placas de carbono).

Materiais possíveis

Como já dissemos, a pirólise de materiais ricos em carbono é a origem de polímeros dessa substância. Praticamente qualquer material orgânico pode ser utilizado para isso, mas a escolha é totalmente baseada na quantidade de carbono que existe em cada fonte. Em 1879, Thomas Edison conseguiu criar fibras a partir de algodão e bambu, mas hoje esse tipo de extração se tornou menos viável.

Anos depois, na década de 1950, Roger Bacon realizou um processo diferente e conseguiu resultados similares a partir de seda artificial Raiom. Mas foi apenas na década de 1960 que as empresas japonesas começaram a utilizar a poliacrilonitrila (PAN). Não demorou muito para que todo o mercado se voltasse a esse mesmo procedimento, que se mostra mais viável e barato em escala industrial.

Ainda existem outras fontes utilizadas ao redor do mundo, mas é preciso dizer que isso ocorre em escalas menores. Um exemplo disso é o carro Krestel, que foi produzido em 2010 e tem como base a fibra de carbono extraída a partir do cânhamo. Também há fibras produzidas a partir de algodão, linho e diversos outros materiais orgânicos.

A importância da cola

A fibra de carbono não seria nada sem a presença de uma cola tão resistente quanto ela. É claro que não podemos nos referir ao elemento de fixação como uma cola comum, mas sim como uma resina epóxi de alto desempenho. É ela que fará com que as chapas de fibra fiquem estabilizadas e aproximadas. Não é exagero dizer que, sem as resinas epóxi, fibras de carbono não teriam a resistência que permite a aplicação em tantos meios como acontece hoje.

Como o site ArsTechnica afirma: “A dureza e a leveza da fibra de carbono deriva de duas coisas. Primeiro estão os componentes que serão a base dos filamentos de carbono, aliados ao epóxi que moldará o elemento-base. A segunda coisa é a troca química entre dois elementos que fará com que o material se misture, permitindo que o epóxi seja realmente a sustentação de tudo”.

Compostos ou nada

Você não vai encontrar um produto no mercado que seja 100% carbono. As empresas utilizam o material em conjunto com outros elementos para que as fibras sejam aplicáveis em diversos processos. Isso é o que gera os materiais compostos reforçados por ligas plásticas ou metálicas, por exemplo.

Na indústria, uma das aplicações mais claras disso está no “Carbon Fiber Reinforced Plastic” (CFRP), que é utilizado em aviões e muitos outros bens de alto desempenho e que demandam durabilidade elevada. Este é outro momento em que se torna bem clara a importância vital dos epóxis de alta qualidade.

Curiosidades

O visual trançado é normalmente apenas “cosmético”

Você já deve ter visto que existem carbono 3K, 12K e outros “kás”, e são diferentes entre si pela largura e formato de seus trançados. Mas isto não influencia em quase nada no desempenho.A maioria das propriedades estruturais estão baseadas a orientação das fibras. Trabalhar com fibra de carbono trançada também facilida nos cortes e nas boras do material.

Todos os quadros em fibra de carbono são feitos à mão

Não importa se o quadro é fabricado por um artesão britânico ou nas enormes instalações da Giant. Os quadros, aros ou outro componente feito com fibra de carbono é obrigatoriamente feito à mão.

As camadas de cada parte de um quadro ou componente são cortados com extrema precisão por máquinas controladas por computador. Porém, a montagem nas formas, a colocação correta de cada camada e preparação do próprio molde para a injeção da resina e posterior cura, são feitos manualmente. Mesmo depois de remover o quadro pronto do molde, a etapa de inspeção busca por falhas no processo. Lixamento e outros processos posteriores são feitos manualmente por pessoas qualificadas.

A fibra de carbono pode ser reparada

Sim, a fibra de carbono pode ser reparada. MAS, não sempre.

O processo é relativamente simples, mas não deve ser feito em casa ou por pessoas treinadas e capacitadas. A parte danificada é removida e um novo pedaço de material é colocado no lugar. Só isso? Parece fácil e simples, mas deve ser feito apenas por especialistas.

Existem kits de reparação em fibra de carbono, mas são destinadas a objetos simples, como remo de caiaques. Quadros de bicicletas são estruturas complexas. Lida-se com pontos de stress de carga, entre mil outras variáveis físicas e de engenharia.

Cada fabricante possui um protocolo de verificação e analise para quadros danificados. Se for o caso, são reparados e devolvidos. Em outros momentos, é melhor descartar o quadro e se caber garantia, entregar um novo quadro ao cliente.

 

Modelos de Fibra de Carbono

• Podemos ver alguns painéis de carroceria de fibra de carbono, tais como a capota ou o telhado. Também é utilizado em componentes aerodinâmicas tais como destruidores, difusores ou defletores de ar. Pelo outro lado são aqueles que usam diretamente o chassi de fibra de carbono , que procuram para aliviar o peso total enquanto que a resistência é adquirida.
• O material confere resistência a plásticos, e estruturas na construção civil. Uma característica importante na utilização dessa fibra é fundamental: ela não sofre corrosão, talvez seja esse a maior vantagem desta sobre os metais, que por vez ou outra sofrem oxidação.
• A resistência das fibras de carbono à presença ou contato direto com produtos químicos corrosivos, e suas estruturas moleculares têm permitido seu uso em peças móveis para a indústria automotiva. Dependendo de sua composição, os componentes podem ser utilizados em condições adversas de temperatura e pressão.
• Exemplos do uso de fibras de carbono, são sua utilização concomitante na composição de ligas metálicas, peças cerâmicas, tecidos, materiais ablativos, blindagens resistentes à temperaturas, entre outros.

 

 

 

 

 

Fontes: http://tecnodefesa.com.br/impressao-3d-uso-de-nylon-com-fibra-de-carbono-na-ge-celma-aviacao/

http://www.scielo.br/pdf/%0D/po/v11n2/6153.pdf; http://www.scielo.br/pdf/%0D/po/v12n3/12857.pdf;

http://repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/264204

https://www.tecmundo.com.br/quimica/76017-fibra-carbono-feito-funciona-material-incrivel.htm

http://pt.custom-composite.com/info/carbon-fiber-history-1784406.html

https://www.tecmundo.com.br/quimica/76017-fibra-carbono-feito-funciona-material-incrivel.htm

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