Também chamada de grafite ou grafite de carbono, a fibra de carbono consiste em fios muito finos do elemento carbono. As fibras de carbono têm alta resistência à tração e são muito fortes para seu tamanho. De fato, a fibra de carbono pode ser o material mais forte que existe.
Cada fibra tem 5-10 microns de diâmetro. Para dar uma idéia de quão pequeno é, um mícron é de 0,000039 polegadas. Um fio de seda de teia de aranha é geralmente entre 3-8 mícrons.
As fibras de carbono são duas vezes mais rígidas que o aço e cinco vezes mais fortes que o aço (por unidade de peso). Eles também são altamente resistentes quimicamente e têm tolerância a altas temperaturas com baixa expansão térmica.
As fibras de carbono são importantes em materiais de engenharia, aeroespacial, veículos de alto desempenho, equipamentos esportivos e instrumentos musicais – para citar apenas alguns de seus usos.
Matéria prima
A fibra de carbono é feita a partir de polímeros orgânicos, que consistem em longas cadeias de moléculas unidas por átomos de carbono . A maioria das fibras de carbono (cerca de 90%) é feita a partir do processo de poliacrilonitrila (PAN). Uma pequena quantidade (cerca de 10%) é fabricada a partir do rayon ou do processo do passo de petróleo. Gases, líquidos e outros materiais usados no processo de fabricação criam efeitos específicos, qualidades e graus de fibra de carbono. A fibra de carbono de grau mais alto, com as melhores propriedades de módulo, é usada em aplicações exigentes, como a indústria aeroespacial.
Fabricantes de fibra de carbono diferem um do outro nas combinações de matérias-primas que eles usam. Eles geralmente tratam suas formulações específicas como segredos comerciais.
Processo de manufatura
No processo de fabricação, as matérias-primas, chamadas de precursores, são desenhadas em longos fios ou fibras. As fibras são tecidas em tecido ou combinadas com outros materiais que são enrolados ou moldados em formas e tamanhos desejados.
Normalmente existem cinco segmentos na fabricação de fibras de carbono do processo PAN. Esses são:
- Fiação. PAN misturado com outros ingredientes e fiado em fibras, que são lavadas e esticadas.
- Estabilizando Alteração química para estabilizar a ligação.
- Carbonização. Fibras estabilizadas aquecidas a temperaturas muito altas, formando cristais de carbono fortemente ligados.
- Tratar a superfície. A superfície das fibras oxidadas para melhorar as propriedades de ligação.
- Dimensionamento. As fibras são revestidas e enroladas em bobinas, que são carregadas em máquinas de fiar que torcem as fibras em fios de diferentes tamanhos. Em vez de serem tecidos em tecidos , as fibras podem ser formadas em compósitos. Para formar materiais compósitos , o calor, a pressão ou o vácuo liga as fibras a um polímero plástico.
Desafios de Fabricação
O fabrico de fibras de carbono acarreta vários desafios, incluindo:
- A necessidade de recuperação e reparo mais econômicos.
- O processo de tratamento de superfície deve ser cuidadosamente regulado para evitar a criação de poços que possam resultar em fibras defeituosas.
- Feche o controle necessário para garantir uma qualidade consistente.
- Problemas de saúde e segurança
- Irritação na pele
- Irritação da respiração
- Arcos e curtos em equipamentos elétricos por causa da forte condutividade elétrica das fibras de carbono.
Futuro da fibra de carbono
Por causa de sua alta resistência à tração e leveza, muitos consideram a fibra de carbono como o material de fabricação mais significativo de nossa geração. A fibra de carbono pode desempenhar um papel cada vez mais importante em áreas como:
- Energia: Lâminas de moinhos de vento, armazenamento de gás natural e transporte, células de combustível.
- Automóveis: atualmente usado apenas para veículos de alto desempenho, a tecnologia de fibra de carbono está se tornando um uso mais amplo. Em dezembro de 2011, a General Motors anunciou que está trabalhando em compostos de fibra de carbono para produção em massa de automóveis.
- Construção: Concreto pré-moldado leve, proteção contra terremotos.
- Aeronaves: Aeronaves de defesa e comerciais. Veículos aéreos não tripulados.
- Exploração de petróleo: plataformas de perfuração em águas profundas, tubos de perfuração.
- Nanotubos de carbono : materiais semicondutores, espaçonaves, sensores químicos e outros usos.
Em 2015, a fibra de carbono teve um tamanho de mercado de US $ 2,25 bilhões. As projeções aumentaram o mercado para US $ 31 bilhões até 2024. Para conseguir isso, os custos devem ser reduzidos e as novas aplicações direcionadas.