Fibra de carbono

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As fibras carbônicas ou fibras de carbono são matérias primas que provém da pirólise de materiais carbonáceos que produzem filamentos de alta resistência mecânica usados para os mais diversos fins, entre estes motores de foguetões (naves espaciais).

Durante o século XX foram desenvolvidos diversos materias fibrosos de carbono e grafita. Estes têm desempenhado um papel importante no crescimento do desenvolvimento tecnológico humano.

O carbono possui propriedades refratárias excepcionais, sua temperatura de vaporização chega aos 3.700 °C, e sua resistência às modificações químicas e físicas é bastante grande mesmo em altas temperaturas.

As fibras de carbono são adequadas para a fabricação dos mais diversos materiais tais como: papéis, tecidos, telas, micro-telas para a filtragem de líquidos e gases de grande propriedade corrosiva. As fibras são resistentes à alta temperaturas e servem especialmente em catalisadores utilizados em processos químicos.

Para a produção de fibras carbônicas o método utilizado é chamado pirólise , ou seja, a decomposição pelo calor, de algum material rico em carbono que retém a sua forma fibrosa através de tratamentos térmicos que resultam em carbonização com alto resíduo carbonáceo.

Os materiais carbonáceos podem ser naturais ou sintéticos e são utilizados como “fibra precursora”. Normalmente o cânhamo, o linho, o algodão entre outros materiais naturais têm rendimento pobre de carbono, suas propriedades físicas, rigidez e resistência mecânica são fracas, não são utilizados como em materiais formadores de estruturas que exigem esforço físico.

Os tecidos de carbono utilizados como agentes reforçadores de resinas feniólicas, levaram às pesquisas para o desenvolvimento de fibras cujas propriedades mecânicas foram sendo aperfeiçoadas até chegar-se ao “raion”.

Ao se desenvolver estas matérias primas iniciando-se na década de 1950 até o final da década de 1960, chegou-se à produção de fibras carbônicas de alta resistência à tração e tensão mecânicas.

Um exemplo destes produtos é a fibra de poliacrilonitrila conhecida pela sigla “PAN”. Esta é semelhante ao acrílico. Os poliimidos, poliamidos e o álcool polivinílico são considerados fibras precursoras poliméricas sintéticas.

Para se produzir uma fibra carbônica de boa qualidade a partir de uma fibra precursora, é necessário um processo de tratamento térmico e condições controladas de tensão, atmosfera, tempo e principalmente temperatura.

O processo se inicia com um pré tratamento onde a matéria prima recebe tensões mecânicas que provocam o seu alongamento utilizando vapor. Em seguida vem a etapa de onde ocorre a conversão de um precursor polimérico. Seguindo-se ao aquecimento constante e controlado até em torno de 250°C aproximadamente. Em seguida é necessária a sua estabilização físico-química. Isto ocorre através do surgimento de ligações transversais entre as cadeias moleculares.

Após a estabilização físico-química vem o processo de carbonização em atmosfera inerte em alta temperatura, o gás mais utilizado neste ponto do processo é o “Argônio” e a temperatura utilizada é em torno de 1.000°C.

No momento em que ocorre a pirólise começam a surgir sub-produtos devido à decomposição gasosa. A contração do material passa a ocorrer aumentando assim sua rigidez mecânica.

Em alguns tipos de fibras de carbono são liberados Nitrogênio, Dióxido de Carbono, Vapor d’água, Cianureto de Hidrogênio, e Amônia.

Após o processo de pirólise vem o processo de “grafitização”. Este consiste num tratamento térmico que oscila entre 2.000°C e 3.000°C e proporciona uma “cristalização” ordenada os cristais de carbono no interior da fibra.

Na cristalização, os cristais de carbono podem assumir formas cristalinas diversas. Suas propriedades físicas e mecânicas variam conforme a matéria prima utilizada e as condições de produção. As fibras de carbono têm suas características dependentes de sua microestrutura, ou seja, de sua estrutura atômica.

Quando se usa a grafita cristalina de estrutura hexagonal de cadeia fechada com a forma de lâminas de 3,35 Ângstrons, esta possui propriedades físicas diferentes nos sentidos longitudinal e transversal do cristal. Temos uma fibra de carbono com alta resistência mecânica.

Sabe-se que os materiais de maior resistência mecânica são os grafitosos compostos de cristais dispostos em estrutura helicoidal perfeita. Para se obter fibras de carbono resistentes e rígidas, durante a sua indução se faz ocorrer uma estrutura grafítica que adquire a orientação desejada durante o tratamento térmico.

Se utilizarmos como precursor da fibra um material cuja formação é um tecido orgânico repuxado, a orientação de sua estrutura molecular é ordenada. O resultado será um cristal contendo camadas alinhadas paralelamente ao eixo das fibras. Depois de ocorrer o processo de grafitização, a estrutura resultante são fibras chamadas de “fibrilas”, que são fibras extremamente finas compostas de 15 camadas de cristal separadas em 150 Ângstros e com um comprimento entre 10.000 Ângstrons a 100.000 Ângstrons, aproximadamente.

As fibras carbônicas sozinhas não são apropriadas para uso, porém, ao serem combinadas com materiais matrizes, estas adquirem propriedades mecânicas excelentes.

Normalmente para se produzir componentes à base de fibras de carbono são utilizados processos de modelagem ou moldagem. As peças que utilizam estes componentes têm servido em equipamentos de diversas tecnologias, desde a produção aeroespacial até a fabricação de calçados.

A resistência das fibras de carbono à presença ou contato direto com produtos químicos corrosivos, etc, 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.