Os Compósitos Carbono-Carbono

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS

Compósitos Carbono-Carbono

Dennes Alvarenga

Gabriel Vargas

Guilherme Tavares

Juliana Nóbrega

Lucas Monteiro

Thamires de Andrade

Thiago Rodrigues

Verônica Campedelli

Junho/2015

        

Sumário

1. Introdução3

2. Compósitos Carbono-Carbono5

2.1. Processo de obtenção de compósitos carbono-carbono5

2.1.1 Processos de obtenção de compósitos carbono-carbono via impregnação gasosa6

2.1.2 Processo de obtenção de compósitos carbono-carbono via impregnação líquida6

3. Fibra de Carbono8

4. Obtenção de compósitos reforçados com fibras de carbono9

5. Aplicações10

5.1. Industria Aeroespacial10

5.2. Transporte11

5.3. Industria da construção civil12

5.4. Células Combustível13

5.5. Outras aplicações13

6. Conclusão15

7. Bibliografia16

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1. Introdução

Um dos materiais de engenharia mais avançados e promissores é o compósito com matriz de carbono reforçada com fibras de carbono, denominado com frequência compósito carbono-carbono; como o próprio nome indica, tanto o reforço quanto a matriz são de carbono . Esses materiais são relativamente novos e caros e, assim, no momento não são utilizados extensivamente. Suas melhores propriedades incluem altos módulos e limites de resistência à tração, que são mantidos até temperaturas acima de 2000ºC (3630ºF), resistência à fluência e valores relativamente altos da tenacidade a fratura. Adicionalmente, os compósitos carbono-carbono possuem baixos coeficientes de expansão térmica e condutividades térmicas relativamente altas; essas características, somadas ás altas resistências, dão origem a uma suscetibilidade relativamente baixa a choques térmicos. A sua principal desvantagem é uma propensão à oxidação em altas temperaturas.

Os compósitos carbono-carbono são empregados em motores de foguetes, como materiais de atrito em aeronaves e em automóveis de alto desempenho, para moldes em prensagem a quente, em componentes para turbinas de motores avançados e como escudos térmicos para reentrada na atmosfera de veículos espaciais.

A razão principal para que esses materiais de compósitos serem tão caros são as técnicas de processamento relativamente complexas que são empregadas. Os procedimentos preliminares são semelhantes aos usados para os compósitos com matriz polimérica e fibra de carbono. Ou seja, as fibras continuas de carbono são posicionadas de acordo com o padrão bidimensional ou tridimensional desejado; essas fibras são então impregnadas com uma resina polimérica líquida, frequentemente uma resina fenólica; na sequência, a peça é conformada ao seu formato final e é feita a cura da resina. Nesse instante, a resina matriz é “pirolisada”, ou seja, é convertida em carbono pelo seu aquecimento em uma atmosfera inerte. Durante a pirólise, os componentes moleculares que consistem em oxigênio, hidrogênio e nitrogênio são eliminados, deixando para trás grandes cadeias moleculares de carbono.

Tratamentos térmicos subsequentes conduzidos em temperaturas mais altas fazem com que essas matrizes de carbono fiquem mais densa e aumente em resistência.  O compósito resultante consiste, então, nas fibras de carbonos originais, as quais permaneceram essencialmente inalteradas, que estão contidas nessa matriz de carbono pirolisado.

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2. Compósitos Carbono-Carbono

Os compósitos de carbono reforçados com fibras de carbono (CRFC) são materiais obtidos através da combinação de diferentes tipos de materiais carbonosos. Assim, a seleção do tipo de material carbonoso determinará o processo adequado para a sua transformação em CRFC, assim como as suas propriedades finais.

O desenvolvimento da tecnologia de obtenção de compósitos de carbono/carbono foi inicialmente muito lento. Entretanto, no final da década de 60, estes materiais são extensivamente estudados e desenvolvidos em centros de pesquisas nos Estados Unidos da América e Europa, principalmente para aplicações militares tais como: inserto de garganta de tubeira e ogivas de mísseis balísticos. Os primeiros CRFC são obtidos utilizando-se como reforços tecidos de fibras de carbono, obtidas a partir de rayon, impregnadas com resina fenólica de alto rendimento em carbono, por meio de técnicas de moldagem de plástico, com subsequente carbonização em atmosfera de nitrogênio.

A maior vantagem dos compósitos carbono-carbono multidirecionais está na liberdade de orientar tipos e quantidades de fibras para atender aos carregamentos de projeto do componente estrutural final. As desvantagens da tecnologia de fabricação são:

• O custo de fabricação das pré-formas
• Dificuldades de impregnação da matriz entre os arranjos multidirecionais de fibras.

2.1 Processo de obtenção de compósitos carbono-carbono

As pré-formas de fibras de carbono constituem-se em substratos para a formação da matriz de carbono através de um processo denominado de densificação, que é o processo de tornar o material mais denso. As técnicas normalmente utilizadas são:

1. Impregnação via líquida, seguida de carbonização;
2.  Impregnação via gasosa;
3. Combinação de ambos os processos.

2.1.1 Processos de obtenção de compósitos carbono-carbono via impregnação gasosa

Técnicas de deposição química de vapor (CVD - "chemical vapour deposition") têm sido empregadas para impregnação/densificação de pré-formas de fibras de carbono na obtenção de compósitos carbono-carbono.

CVD é um processo no qual um produto sólido proveniente da decomposição ou reação de espécies gasosas nucleia e cresce num substrato previamente aquecido (MARINKOVIC -1991). Na obtenção de carbono reforçada com fibras de carbono (CRFC), o processo CVD consiste basicamente do craqueamento de carbono, proveniente de um hidrocarboneto gasoso, tal como o metano, e a sua deposição no substrato de fibras de carbono (pré-forma) através de três técnicas básicas: