Com o desenvolvimento contínuo de materiais compósitos, além dos plásticos reforçados com fibra de vidro, surgiram os plásticos reforçados com fibra de carbono, os plásticos reforçados com fibra de boro, etc. Os compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) são materiais leves e resistentes, utilizados na fabricação de diversos produtos que usamos no nosso dia a dia. O termo descreve materiais compósitos reforçados com fibras que utilizam fibras de carbono como principal componente estrutural.
Índice:
1. Estrutura de polímero reforçado com fibra de carbono
2. O método de moldagem do plástico reforçado com fibra de carbono
3. Propriedades do Polímero Reforçado com Fibra de Carbono
4. Vantagens do CFRP
5. Desvantagens do CFRP
6. Aplicações do plástico reforçado com fibra de carbono
Estrutura de polímero reforçado com fibra de carbono
O plástico reforçado com fibra de carbono é um material formado pela disposição de fibras de carbono em uma determinada direção e pela utilização de polímeros como agentes de ligação. O diâmetro da fibra de carbono é extremamente fino, cerca de 7 micrômetros, mas sua resistência é extremamente alta.
A unidade constituinte mais básica do material compósito reforçado com fibra de carbono é o filamento de fibra de carbono. A matéria-prima básica do filamento de carbono é o pré-polímero poliacrilonitrila (PAN), rayon ou piche de petróleo. Os filamentos de carbono são então transformados em tecidos de fibra de carbono por métodos químicos e mecânicos para a fabricação de peças de fibra de carbono.
O polímero de ligação geralmente é uma resina termofixa, como a epóxi. Outros polímeros termofixos ou termoplásticos também são usados, como o acetato de polivinila ou o náilon. Além das fibras de carbono, os compósitos também podem conter aramida Q, polietileno de ultra-alto peso molecular, alumínio ou fibras de vidro. As propriedades do produto final de fibra de carbono também podem ser afetadas pelo tipo de aditivos introduzidos na matriz de ligação.
Método de moldagem de plástico reforçado com fibra de carbono
Os produtos de fibra de carbono diferem principalmente devido aos diferentes processos de fabricação. Existem muitos métodos para produzir materiais poliméricos reforçados com fibra de carbono.
1. Método de Laminação Manual
A laminação manual divide-se em método a seco (preparação prévia em oficina) e método úmido (tecido de fibra e resina colados para uso). Também é utilizada para preparar pré-impregnados para processos de moldagem secundária, como a moldagem por compressão. Neste método, folhas de tecido de fibra de carbono são laminadas em um molde para formar o produto final. As propriedades de resistência e rigidez do material resultante são otimizadas pela seleção do alinhamento e da trama das fibras do tecido. O molde é então preenchido com epóxi e curado com calor ou ar. Este método de fabricação é frequentemente utilizado para peças não sujeitas a tensões, como tampas de motor.
2. Método de Termoformagem a Vácuo
Para o pré-impregnado laminado, é necessário aplicar pressão por meio de um processo específico para aproximá-lo do molde e curá-lo e moldá-lo sob determinada temperatura e pressão. O método de ensacamento a vácuo utiliza uma bomba de vácuo para evacuar o interior do saco de moldagem, de modo que a pressão negativa entre o saco e o molde forme uma pressão que aproxime o material compósito do molde.
Com base no método de ensacamento a vácuo, desenvolveu-se posteriormente o método de moldagem por ensacamento a vácuo e autoclave. As autoclaves proporcionam pressões mais elevadas e curam a peça por calor (em vez da cura natural) em comparação com os métodos que utilizam apenas ensacamento a vácuo. Essa peça apresenta uma estrutura mais compacta, melhor qualidade superficial, elimina eficazmente as bolhas de ar (que afetam significativamente a resistência da peça) e, no geral, possui uma qualidade superior. De fato, o processo de ensacamento a vácuo é semelhante ao da aplicação de películas em celulares. A eliminação das bolhas de ar é uma tarefa crucial.
3. Método de Moldagem por Compressão
Moldagem por compressãoÉ um método de moldagem que favorece a produção em massa. Os moldes geralmente são compostos por uma parte superior e uma inferior, que chamamos de molde macho e molde fêmea. O processo de moldagem consiste em colocar a manta de pré-impregnado no molde metálico e, sob a ação de determinada temperatura e pressão, a manta é aquecida e plastificada na cavidade do molde, fluindo sob pressão e preenchendo-a. Em seguida, o molde é moldado e curado para obter o produto. No entanto, esse método tem um custo inicial mais elevado do que os anteriores, uma vez que o molde requer usinagem CNC de alta precisão.
4. Moldagem por enrolamento
Para peças com formas complexas ou com formato de corpo de revolução, pode-se utilizar uma bobinadeira de filamentos para fabricar a peça enrolando o filamento em um mandril ou núcleo. Após a conclusão do enrolamento, o mandril é removido para cura. Por exemplo, braços de juntas tubulares usados em sistemas de suspensão podem ser fabricados utilizando esse método.
5. Moldagem por Transferência de Resina
A moldagem por transferência de resina (RTM, na sigla em inglês) é um método de moldagem relativamente popular. Suas etapas básicas são:
1. Coloque o tecido de fibra de carbono preparado no molde e feche-o.
2. Injete resina termofixa líquida, impregne o material de reforço e cure.
Propriedades do Polímero Reforçado com Fibra de Carbono
(1) Alta resistência e boa elasticidade.
A resistência específica (ou seja, a relação entre a resistência à tração e a densidade) da fibra de carbono é 6 vezes maior que a do aço e 17 vezes maior que a do alumínio. O módulo específico (ou seja, a relação entre o módulo de Young e a densidade, que indica a elasticidade de um objeto) é mais de 3 vezes maior que o do aço ou do alumínio.
Com alta resistência específica, suporta uma grande carga de trabalho. Sua pressão máxima de trabalho pode atingir 350 kg/cm². Além disso, é mais compressível e resiliente do que o F-4 puro e suas versões trançadas.
(2) Boa resistência à fadiga e ao desgaste.
Sua resistência à fadiga é muito superior à da resina epóxi e à dos materiais metálicos. As fibras de grafite são autolubrificantes e possuem um baixo coeficiente de atrito. O desgaste é de 5 a 10 vezes menor do que o de produtos de amianto comuns ou tranças F-4.
(3) Boa condutividade térmica e resistência ao calor.
Os plásticos reforçados com fibra de carbono possuem boa condutividade térmica e o calor gerado pelo atrito é facilmente dissipado. Seu interior não superaquece facilmente nem retém calor, podendo ser utilizado como material de vedação dinâmica. No ar, opera de forma estável na faixa de temperatura de -120 a 350 °C. Com a redução do teor de metais alcalinos na fibra de carbono, a temperatura de serviço pode ser ainda maior. Em atmosfera inerte, sua temperatura de operação pode atingir cerca de 2000 °C, suportando variações bruscas de temperatura.
(4) Boa resistência à vibração.
Não é fácil de entrar em ressonância ou vibrar, sendo também um excelente material para redução de vibração e ruído.
Vantagens do CFRP
1. Leveza
Os plásticos reforçados com fibra de vidro tradicionais utilizam fibras de vidro contínuas e 70% de fibras de vidro (peso do vidro/peso total), apresentando tipicamente uma densidade de 0,065 libras por polegada cúbica. Um compósito CFRP com a mesma proporção de 70% de fibras apresenta tipicamente uma densidade de 0,055 libras por polegada cúbica.
2. Alta resistência
Embora os polímeros reforçados com fibra de carbono sejam leves, os compósitos de CFRP apresentam maior resistência e rigidez por unidade de peso do que os compósitos de fibra de vidro. Comparada aos materiais metálicos, essa vantagem é ainda mais evidente.
Desvantagens do CFRP
1. Alto custo
O custo de produção do plástico reforçado com fibra de carbono é proibitivo. Os preços da fibra de carbono podem variar drasticamente dependendo das condições atuais do mercado (oferta e demanda), do tipo de fibra de carbono (aeroespacial versus comercial) e do tamanho do feixe de fibras. Em termos de peso, a fibra de carbono virgem pode ser de 5 a 25 vezes mais cara que a fibra de vidro. Essa diferença é ainda maior quando se compara o aço ao CFRP.
2. Condutividade
Essa é a vantagem e a desvantagem dos materiais compósitos de fibra de carbono. Depende da aplicação. As fibras de carbono são extremamente condutoras, enquanto as fibras de vidro são isolantes. Muitos produtos utilizam fibra de vidro em vez de fibra de carbono ou metal porque exigem isolamento rigoroso. Na produção de equipamentos para serviços públicos, muitos produtos requerem o uso de fibras de vidro.
Aplicações do plástico reforçado com fibra de carbono
As aplicações do polímero reforçado com fibra de carbono são vastas, abrangendo desde peças mecânicas até materiais militares.
(1)como embalagem de vedação
O material PTFE reforçado com fibra de carbono pode ser transformado em anéis de vedação ou gaxetas resistentes à corrosão, ao desgaste e a altas temperaturas. Quando usado para vedação estática, sua vida útil é mais de 10 vezes superior à das gaxetas de amianto imersas em óleo convencionais. Mantém o desempenho da vedação mesmo sob variações de carga e aquecimento e resfriamento rápidos. Além disso, como o material não contém substâncias corrosivas, não ocorre corrosão por pite no metal.
(2)como peças de moagem
Aproveitando suas propriedades autolubrificantes, pode ser utilizado como rolamentos, engrenagens e anéis de pistão para fins especiais. Exemplos incluem rolamentos lubrificados sem óleo para instrumentos de aviação e gravadores, engrenagens lubrificadas sem óleo para transmissões elétricas de locomotivas a diesel (para evitar acidentes causados por vazamento de óleo), anéis de pistão lubrificados sem óleo em compressores, etc. Além disso, também pode ser utilizado como mancais deslizantes ou vedações nas indústrias alimentícia e farmacêutica, devido às suas características atóxicas.
(3) Como materiais estruturais para aeroespacial, aviação e mísseis. Foi usado pela primeira vez na fabricação de aeronaves para reduzir o peso da aeronave e melhorar a eficiência de voo. Também é usado nas indústrias química, petrolífera, de energia elétrica, de máquinas e outras como vedação dinâmica rotativa ou alternativa ou vários materiais de vedação estática.
Zhengxi é um profissionalFábrica de prensas hidráulicas na China, proporcionando alta qualidadeprensa hidráulica compostapara a fabricação de produtos CFRP.
Data da publicação: 25 de maio de 2023
