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Os polímeros reforçados com fibra de carbono , ou CFRPs , são uma classe de materiais compósitos de densidade muito baixa e alta resistência que encontram aplicações em uma ampla gama de indústrias, incluindo desde equipamentos para esportes altamente competitivos até a indústria aeroespacial. Apesar de seu nome técnico ser composto de polímero reforçado com fibra de carbono, a maioria das pessoas se refere a essa classe de materiais simplesmente como fibra de carbono .
Como o próprio nome sugere, esses compostos são formados por uma matriz polimérica ou plástica reforçada com um tecido de fibra de carbono de alta resistência. As propriedades finais do compósito dependem tanto do tipo de resina utilizada como das características particulares das fibras, bem como da forma como as fibras se entrelaçam dentro da matriz e da direção que têm dentro do material. Por outro lado, diferentes aditivos são geralmente adicionados para modificar ainda mais as propriedades da peça resultante.
A matriz polimérica
A matriz polimérica cumpre a função de manter as fibras de carbono unidas e em posição fixa; também molda a peça que está sendo feita.Isso quase sempre consiste em uma resina epóxi curada por calor, embora haja casos em que resinas curadas ao ar ou algum termoplástico ou outro polímero são usados.
No processo de fabricação das peças, a resina epóxi pode ser incluída de diversas formas. Em alguns casos, as chapas de fibra de carbono já estão embebidas na resina antes de serem empilhadas umas sobre as outras; em outros casos, são colocadas camadas de resina não curada, seguidas por uma folha de fibra de carbono, depois outra camada de resina e assim por diante.
fibras de carbono
Processo de fabricação de fibra de carbono
O processo de fabricação de fibras de carbono é muito engenhoso. Em essência, consiste em primeiro fabricar e fiar uma fibra polimérica sintética, ou seja, um plástico. Este pode ser preparado na forma de fibras, seja derretendo um plástico já sintetizado e esticando-o ainda quente, seja puxando-o à medida que se polimeriza. De qualquer forma, o resultado final é um fio polimérico formado por cadeias com milhares de átomos de carbono, mais hidrogênio, oxigênio e possivelmente algum outro elemento.
Obtida a estrutura básica da fibra, o próximo passo é a carbonização do material, ou seja, todos os outros átomos da estrutura são eliminados. Isso geralmente é obtido aquecendo as bobinas de fibra sintética a uma temperatura alta, sob vácuo ou em uma atmosfera inerte (ou seja, na ausência de oxigênio).
O processo de fabricação dessas fibras varia muito de um fabricante para outro. A qualidade e as propriedades químicas e mecânicas dependem muito do método de síntese e fabricação, além da forma como as fibras são entrelaçadas na hora de preparar as folhas que formarão posteriormente o compósito. Por esse motivo, os compósitos de fibra de carbono podem ser encontrados em diversas apresentações e com faixas de preços muito variadas.
Laminado de fibras de carbono
As fibras de carbono podem ser introduzidas na matriz plástica na forma de lâminas contendo fibras unidirecionais, que são estrategicamente orientadas para reforçar a peça final em determinadas direções. A resistência mecânica das fibras ocorre fundamentalmente ao longo do seu eixo, pelo que se se deseja fabricar uma peça resistente à flexão em diferentes direções, devem obrigatoriamente ser introduzidas no material fibras que percorrem a peça nas referidas direções.
O último é geralmente realizado em uma das duas maneiras. A primeira, que é a mais barata, é pegar folhas em que as fibras estão todas orientadas na mesma direção e empilhá-las em orientações diferentes. Uma seleção muito comum e eficaz é empilhar três folhas colocadas em ângulos de 0°, +60° e -60° entre si. Essa configuração permite resistência relativamente uniforme em todas as direções com um mínimo de camadas de fibra de carbono.
Outra opção muito comum, embora bem mais cara, é usar folhas de fibras de carbono tecidas perpendicularmente, ou seja, da mesma forma que os fios são tecidos para fazer um pano. O fato de conter fibras em duas direções perpendiculares já fortalece o material em duas direções, mas a trama acrescenta o grande benefício de reduzir drasticamente a tendência das folhas se separarem umas das outras quando o material é submetido a tensões e flexões, que é um tipo muito comum de falha neste tipo de materiais laminados.
Fabricação de peças com compostos CFRP de alta relação resistência/peso ;
Como mencionado anteriormente, as peças são feitas pela laminação das fibras de carbono intercaladas com algum tipo de resina, mas a forma geral da peça é dada por meio de moldes. De fato, o processo de fabricação consiste em começar com uma camada de resina na superfície interna do molde, depois é colocada uma folha de fibra de carbono que ficará visível por fora, depois outra camada de resina e o processo é repetido.
No caso da fabricação de peças que não requerem forças particularmente altas, geralmente é suficiente pressionar os moldes enquanto a resina cura e, em alguns casos, também costuma ser aquecida. Porém, quando se trata de peças críticas que devem ter a máxima resistência possível, como partes da fuselagem de um avião ou as asas de um carro de Fórmula 1, as peças precisam ser submetidas a vácuo para eliminar possíveis bolhas na estrutura .que podem afetar seu desempenho.
Além disso, nesses casos as peças também costumam ser recozidas em autoclave para curar a resina mais rapidamente. Essa exigência encarece muito a fabricação de peças em fibra de carbono; Isso sem falar que as chapas de fibra de carbono já são consideravelmente caras.
Essa desvantagem, bem como algumas outras associadas à condutividade do material e aos múltiplos modos de falha que são difíceis de modelar durante os estágios de projeto da peça, significa que os compósitos CFRP não podem ser usados em todo o seu potencial em muitas aplicações importantes. Um exemplo disso foi visto quando a SpaceX abandonou sua intenção de construir sua próxima nave principal, a Starship, de fibra de carbono. Era simplesmente muito caro e impraticável construir uma autoclave grande o suficiente para construir os vários componentes da espaçonave, então eles decidiram usar aço inoxidável, que é uma escolha pouco ortodoxa na indústria aeroespacial.
Propriedades de Compósitos CFRP
Existem muitas propriedades exclusivas dos compósitos CFRP que são exploradas em uma variedade de aplicações. Algumas delas são:
- É um material muito leve e muito resistente. Tem uma relação força-peso muito maior do que o aço e até mesmo o titânio.
- Eles têm um módulo de elasticidade-peso muito alto, também maior do que qualquer metal.
- É um material com alta resistência à fadiga.
- Tanto a matriz polimérica quanto as fibras de carbono que ela contém são quimicamente inertes, o que confere aos compósitos CFRP uma resistência muito boa à corrosão.
- Seu coeficiente de expansão térmica é muito baixo, o que significa que as peças feitas de compósitos CFRP sofrem muito pouca distorção quando aquecidas ou resfriadas.
- Eles têm condutividade elétrica. O grafite é um condutor muito bom e as fibras de carbono são essencialmente grafite, de modo que os compostos que os contêm conduzem eletricidade, principalmente na direção das fibras. Dependendo da aplicação, isso pode ser bom ou ruim.
Além dessas propriedades, os compósitos CFRP também possuem algumas propriedades adicionais que podem ser desvantajosas dependendo da aplicação específica:
- Eles são sensíveis à luz ultravioleta (UV). A luz ultravioleta é capaz de promover uma grande variedade de reações químicas por radicais livres que degradam tanto a maioria das resinas poliméricas quanto as fibras de carbono, destruindo suas propriedades mecânicas. Isso geralmente é resolvido com uma camada de tinta que absorve a radiação antes que ela atinja o composto.
- De um modo geral, os compósitos CFRP têm baixa resistência ao impacto.
- Em termos de falha de material, quando os compósitos de CFRP são levados ao limite de sua resistência, a falha geralmente é catastrófica porque as fibras de carbono são quebradiças. Os modos de falha incluem delaminação (quando as folhas de fibras se separam umas das outras) e ruptura da fibra.
As propriedades dos compósitos CFRP são anisotrópicas.
Deve-se notar que a maioria das propriedades mencionadas dos compósitos de CFRP são anisotrópicas, o que significa que não são uniformes em todo o material e dependem da direção em que são medidas. Isso se deve ao fato de serem constituídas por fibras ordenadas que seguem direções bem definidas. Consequentemente, as características do material ao longo dessas direções são muito diferentes das características ao longo de diferentes direções.
Por exemplo, o módulo de tração de um compósito CFRP com 70% de fibras de carbono em uma resina epóxi tem um valor de apenas 10,3 GPa na direção perpendicular às fibras, enquanto na direção axial ou longitudinal o mesmo módulo vale 181 GPa. A diferença na tração ou resistência à tração é ainda mais dramática, apresentando um valor de 40 MPa na direção perpendicular às fibras enquanto na direção longitudinal é de 1.500 MPa, quase 40 vezes maior. Por fim, o coeficiente de expansão desse composto é 112,5 vezes menor ao longo das fibras do que na direção perpendicular.
Aplicações Comuns de Compósitos CFRP
Apesar dos compósitos CFRP serem usados em uma série de produtos de alta qualidade (porque é um material muito mais caro do que a maioria das outras opções), os compósitos CFRP são usados principalmente em quatro indústrias:
na indústria aeroespacial
A primeira vez que esses compostos foram usados na fabricação de aeronaves foi na década de 1950, e seu uso na indústria só aumentou. Os modelos de aeronaves 767 e 777 da Boeing contêm 3% e 7% de compostos de CFRP, respectivamente. Nesses casos, eles foram usados em alguns componentes estruturais. Por outro lado, no caso do novo modelo Boeing 787 Dreamliner, toda a fuselagem e asas são feitas de fibra de carbono e este material representa 50% do peso e 80% do volume da referida aeronave; esta tendência também é observada com outros fabricantes de aeronaves.
Por outro lado, apesar de a SpaceX ter abandonado a fibra de carbono para sua Starship, outra empresa aeroespacial privada chamada Rocket Lab acaba de anunciar a construção de seu novo foguete, o Neutron, que será um foguete reutilizável feito inteiramente de fibra de carbono.
Na indústria automobilística
Durante anos, os carros de corrida mais rápidos do mundo foram construídos com fibra de carbono. Isso não é apenas parte do exterior, sendo o principal material que forma a carroceria e as asas que mantêm os carros colados ao solo enquanto aceleram, mas também no chassi. De fato, entre 60% e 70% do peso estrutural de um carro de Fórmula 1 da McLaren é feito de fibra de carbono (isso sem contar o motor, as rodas e a transmissão).
No caso dos automóveis de uso privado, apenas os carros de alto padrão, como os esportivos de luxo, utilizam fibra de carbono em alguma parte de sua carroceria ou estrutura.
indústria naval
Tanto o baixo peso quanto a alta resistência à corrosão tornam os compósitos CFRP ideais para a construção de barcos leves e super velozes. Porém, hoje eles estão sendo cada vez mais utilizados na construção de embarcações maiores, incluindo iates e navios de uso profissional.
Além da resistência química que exige menos manutenção, a economia de peso é um dos principais motivos para que esse material esteja penetrando nessa indústria, substituindo outras opções como o alumínio, o aço e até mesmo outros compostos poliméricos como a fibra de vidro.
Em esportes altamente competitivos
Uma das aplicações mais comuns e visíveis da fibra de carbono nos esportes é na construção de quadros de bicicletas de alto desempenho. Não importa o ramo do ciclismo, seja mountain bike, downhill ou bicicletas de estrada para o Tour de France, as melhores bicicletas são feitas quase inteiramente de fibra de carbono.
Por outro lado, a fibra de carbono também está presente em elementos estruturais finos que devem ser muito resistentes, como tacos de golfe de alta qualidade, varas de pesca de competição, raquetes de tênis e até raquetes de tênis de mesa ou tênis de mesa.
Referências
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