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Fibra de Carbono

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Definição – Fibra de Carbono

A fibra de carbono é composta de átomos de carbono unidos para formar uma cadeia longa. As fibras são extremamente rígidas, fortes e leves, e são usadas em muitos processos para criar excelentes materiais de construção. O material de fibra de carbono vem em uma variedade de blocos de construção “em bruto”, incluindo fios, unidirecionais, tecidos, tranças e vários outros, que são, por sua vez, usados para criar peças compostas.

A Fibra de Carbono – Polímero

Fibra de carbono é um polímero e é, por vezes conhecido como fibra de grafite. É um material muito forte que também é muito leve. A fibra de carbono é cinco vezes mais forte que o aço e duas vezes mais rígida. Embora a fibra de carbono seja mais forte e mais rígida que o aço, é mais leve que o aço, tornando-se o material de fabricação ideal para muitas partes. Estas são apenas algumas das razões pelas quais a fibra de carbono é favorecida por engenheiros e designers para fabricação.

A fibra de carbono é feita de filamentos finos e cristalinos fortes de carbono que são utilizados para fortalecer o material. A fibra de carbono pode ser mais fina do que uma corda de cabelo humano e obtém sua força quando retorcida como fio. Em seguida, pode ser entrelaçada para formar um pano e, se necessário, para ter uma forma permanente, a fibra de carbono pode ser colocada sobre um molde e revestida em resina ou plástico.

Além de ser forte, a fibra de carbono possui:

Tem alta rigidez

Tem alta resistência à tração

Tem baixo índice de peso para força

Tem alta resistência química

Tolerância de temperatura ao calor excessivo

Tem baixa expansão térmica

Por isso, a fibra de carbono é muito popular em muitas indústrias, como aplicações aeroespaciais, automotivas, militares e recreativas.

Fibra de carbono
Fibra de Carbono

O que é Fibra de Carbono?

A fibra de carbono é uma matéria têxtil constituída principalmente por carbono. É produzido fazendo girar vários polímeros à base de carbono em fibras, tratando-os para remover a maioria das outras substâncias e tecendo o material resultante em um tecido. Isso geralmente é incorporado em plástico – tipicamente epóxi – para formar fibra de carbono reforçada com fibra ou fibra de carbono composto. As características mais notáveis do material são a sua alta relação força-peso e sua inercia química relativa. Essas propriedades oferecem uma ampla gama de aplicações, mas seu uso é limitado pelo fato de que é bastante caro.

Fabricação

A produção deste material geralmente se baseia em poliacrilonitrilo, um plástico usado em têxteis sintéticos para vestuário, ou afinação, uma substância semelhante a alcatrão produzida a partir de petróleo. O passo é girado pela primeira vez em mechas, mas o poliacrilonitrilo é normalmente de forma fibrosa para começar.

Eles são convertidos em fibra de carbono por aquecimento forte para remover outros elementos, como hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Este processo é conhecido como pirólise. O alongamento das fibras durante este procedimento ajuda a remover as irregularidades que podem enfraquecer o produto final.

As fibras em bruto são inicialmente aquecidas a cerca de 590 ° F (300 ° C) no ar e sob tensão, em uma fase conhecida como oxidação ou estabilização. Isso remove o hidrogênio das moléculas e converte as fibras em uma forma mais mecanicamente estável. Eles são então aquecidos para cerca de 1,830 ° F (1.000 ° C) na ausência de oxigênio em uma etapa conhecida como carbonização. Isso remove material adicional sem carbono, deixando principalmente carbono.

Quando são necessárias fibras de alta resistência de alta qualidade, ocorre uma etapa adicional, conhecida como grafitização. O material é aquecido entre 1,732 e 5,500 ° F (1.500 a 3.000 ° C) para converter a formação dos átomos de carbono em uma estrutura semelhante à grafite. Isso também remove a maioria dos átomos de carbono não-residuais. O termo “fibra de carbono” é utilizado para material com um teor de carbono de pelo menos 90%. Onde o teor de carbono é superior a 99%, o material às vezes é chamado de fibra de grafite.

A fibra de carbono em bruto que resulta não se une bem com as substâncias usadas para produzir compósitos, por isso é ligeiramente oxidado por tratamento com produtos químicos adequados. Os átomos de oxigênio adicionados à estrutura permitem formar ligações com plásticos, como epóxi. Depois de receber um revestimento protetor fino, é tecida em fios das dimensões necessárias. Estes, por sua vez, podem ser tecidos em tecidos, que são geralmente incorporados em materiais compósitos.

Estrutura e Propriedades

Uma única fibra tem um diâmetro de cerca de 0,0002 a 0,0004 polegadas (0,005 a 0,010 mm). O fio é composto por muitos milhares desses fios juntos para formar um material extremamente forte.

Dentro de cada cordão, os átomos de carbono estão dispostos de forma semelhante à grafite: anéis hexagonais unidos para formar folhas. Em grafite, estas folhas são planas e apenas ligeiramente ligadas uma à outra, de modo que elas se desviam facilmente. Em uma fibra de carbono, as folhas são dobradas e amassadas, e formam muitos cristais minúsculos e interligados, conhecidos como cristalitos. Quanto maior a temperatura empregada no fabrico, mais esses cristalites se orientam ao longo do eixo da fibra e maior a força.

Dentro de um composto, a orientação das próprias fibras também é importante. Dependendo disso, o material pode ser mais forte em uma determinada direção ou igualmente forte em todas as direções. Em alguns casos, uma pequena peça pode suportar um impacto de muitas toneladas e ainda deformar minimamente. A complexa natureza entrelaçada da fibra torna muito difícil a quebra.

Em termos de relação força-peso, o composto de fibra de carbono é o melhor material que a civilização pode produzir em quantidades apreciáveis. Os mais fortes são aproximadamente cinco vezes mais fortes do que o aço e consideravelmente mais leves. A pesquisa está em andamento na possibilidade de introduzir nanotubos de carbono no material, o que pode melhorar a relação força-peso em 10 vezes ou mais.

Outras propriedades úteis que possui são a sua capacidade para suportar altas temperaturas e sua inércia. A estrutura molecular é, como a grafite, muito estável, dando-lhe um alto ponto de fusão e tornando menos propensos a reagir quimicamente com outras substâncias. Por isso, é útil para componentes que podem ser submetidos a calor e para aplicações que requerem resistência à corrosão.

Usos

A fibra de carbono é usada em muitas áreas onde é necessária uma combinação de alta resistência e baixo peso. Estes incluem transporte público e privado, como carros, aviões e espaçonaves, equipamentos esportivos, como corridas de bicicletas, esquis e hastes de pesca e construção. A inércia relativa do material torna bem adequado para aplicações na indústria química e na medicina – pode ser usado em implantes, pois não reagirá com substâncias no corpo. Na engenharia civil, determinou-se que velhas pontes podem ser poupadas da destruição e reconstrução através de simples reforços de fibra de carbono, que são comparativamente mais baratos.

Uma Breve História sobre Fibra de Carbono

A fibra de carbono remonta a 1879 quando Thomas Edison assou fios de algodão ou bambu a altas temperaturas, que os carbonizou em um fio de fibra de carbono. Em 1958, fibras de carbono de alto desempenho foram inventadas apenas fora de Cleveland, OH. Embora fossem ineficientes, essas fibras continham cerca de 20% de carbono e apresentavam pouca resistência e propriedades de rigidez.

Em 1963, um novo processo de fabricação foi desenvolvido em um centro de pesquisa britânico, onde o potencial de força da fibra de carbono foi realizado.

Como é fabricada a fibra de carbono: uma visão geral do processo de fabricação de fibra de carbono

A fibra de carbono é feita a partir de um processo que é parte química e parte mecânica. Começa por desenhar longos fios de fibras e depois aquecendo-os a uma temperatura muito alta sem permitir o contato com o oxigênio para evitar que as fibras queimem. Isto é, quando ocorre a carbonização, que é quando os átomos dentro das fibras vibram violentamente, expulsando a maioria dos átomos que não são de carbono. Isso deixa uma fibra composta por cadeias de átomos de carbono longas e inter-bloqueadas com apenas alguns átomos de carbono que não permanecem.

As seqüências típicas usadas para formar fibras de carbono a partir de poliacrilonitrilo envolvem fiação, estabilização, carbonização, tratamento da superfície e dimensionamento.

Fonte: www.innovativecomposite.com/www.wisegeek.org/www.innovativecomposite.com

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