Um material compósito é feito da combinação de dois componentes, a matriz e as fibras. O primeiro é basicamente um aglutinante para todas as fibras do laminado. Estes são os compostos responsáveis pela resistência do laminado. Eles podem ser dispostos de diversas maneiras como unidirecionais, bidirecionais e multidirecionais. Normalmente as fibras são ligadas à matriz para formar uma camada ou lâmina. Os agentes de acoplamento e lubrificantes, adicionados para aumentar a molhabilidade da lona, também fazem parte da lona. Conseqüentemente, uma pilha consolidada de muitas camadas forma um laminado. Em termos de engenharia de materiais, os materiais compósitos são baseados em duas partes ou elementos diferentes, estas são as fases constituinte e dispersa. A principal característica destes é que são diferentes e reconhecíveis. Este artigo propõe uma visão geral dos principais tipos de fibras e suas características.

Fases constituintes

A fase constituinte pode ser composta por matriz, partículas ou cargas, fibras e poros. A matriz é considerada uma fase contínua, enquanto os demais componentes são considerados dispersos. Os poros indicam a influência dos vazios no material. A ideia por trás de seu uso como cargas é que eles são um possível caso de fase dispersa. Representam uma falta de matriz no que diz respeito à sua presença. Por definição, os compósitos são feitos de constituintes diferentes e, portanto, são heterogêneos. Quanto ao arranjo espacial das fases constituintes e dispersas, isso caracteriza os materiais compósitos como anisotrópicos, por serem diferentes. Isto é válido mesmo nos casos em que as fases constituintes são isotrópicas.

Fases dispersas

A fase dispersa tem esta definição, pois está dispersa pela matriz. É caracterizado por diferentes aspectos:

• Morfologia;
• Alvo;
• Origem dos elementos;
• Composição.

Estes são a morfologia, alvo, origem e composição. A primeira define se esta fase é composta por fibras, partículas e/ou bigodes. O alvo de uma fase dispersa pode ser funcional ou estrutural. No primeiro caso, o elemento adicionado tem como objetivo conceber uma nova funcionalidade ao material, enquanto no objetivo estrutural, a adição de um novo componente visa melhorar as propriedades mecânicas da matriz, por exemplo. A origem dos elementos pode ser natural ou sintética, neste caso são desenvolvidos em laboratórios para terem uma função ou desempenho específico. Então, dependendo das considerações feitas a respeito desses aspectos, é possível desenvolver diferentes papéis de fases dispersas, que estão listados a seguir:

• Reforços;
• Funcional;
• Extensor barato;
• Poro.

O primeiro, também chamado de papel estrutural, tem como objetivo melhorar o desempenho e, consequentemente, as propriedades mecânicas da matriz. É comumente usado em fibras de alto desempenho. Estes são adicionados à matriz para fornecer um material mais rígido em relação à matriz original. A ideia por trás de uma matriz dispersa funcional é fornecer propriedades e funções especiais. Por exemplo, as matrizes normalmente são eletrocondutoras. Então, o papel funcional significa características especiais como essa e lubrificantes, pigmentos, antioxidantes que podem ser adicionados da mesma forma. Os pigmentos são encapsulados em partículas para dar um aspecto estético à fibra. Além disso, também pode ser utilizado um dispositivo de segurança, pois quando as fissuras quebram essas partículas, esses pigmentos dão uma cor diferente da matriz. Este recurso não poderia ser útil se fosse considerado fibra de carbono, uma vez que são pretas. No entanto, pode ser útil para fibras de vidro. O extensor barato é uma segunda fase aplicada para reduzir o custo geral do laminado. Devem ser acrescentados alguns critérios para evitar a perda de propriedades mecânicas. Em relação aos poros, estes podem ser considerados defeitos, pois os solventes e a água deixam vazios circulares quando evaporam. Porém, isso também representa características de leveza, pois os poros são uma forma de ter uma massa menor para o mesmo volume. Além disso, apresentam uma boa melhoria no isolamento acústico.

Visão geral

A fibra é o principal constituinte da fase de reforço, pois dá resistência para resistir às tensões aplicadas ao componente. As principais fibras utilizadas em aplicações em carros de corrida são as fibras de vidro, carbono e aramida. Geralmente, eles são fornecidos em feixes de muitas fibras individuais. Na verdade, um único cabo pode ter filamentos formados por 3.000 a 24.000 fibras. O diâmetro típico das fibras de vidro e carbono varia entre 10 a 12 µm e 6 a 8 µm, respectivamente. Os filamentos não são retos, na verdade são torcidos como pode ser visto na Figura 2. Isso auxilia na organização do tecido. A torção da fibra é necessária para evitar a quebra da fibra durante o processo de produção. Os tipos de torção são Z e S, são padrão para uso geral. Contudo, no campo aeroespacial, a torção deve ser evitada. Assim, na descrição das fibras nas fichas técnicas existe uma letra específica, que indica a presença ou não de torção no material base. Certamente, se considerarmos a torção, no caso de fibras longas dispostas umas abaixo das outras ou de fibras curtas desordenadas, é possível observar que a torção modifica um pouco a qualidade do próprio material, principalmente a tenacidade (Figura 3).

Isso mantém as cargas e evita a quebra das fibras entre as fibras. Quanto mais torcidos, piores são as propriedades mecânicas. Porém, no campo de corrida, o arranjo de torção é usado. O foco está mais no desempenho, mas os componentes e chassis têm uma vida útil esperada de 3 a 4 anos. Por outro lado, as aeronaves precisam voar durante 10 anos, em alguns casos 30. Os requisitos de qualidade são completamente diferentes.

Tipos

Normalmente, as principais fibras utilizadas nas corridas são as fibras de vidro, carbono e aramida. As características desejáveis para esta aplicação são o módulo de elasticidade, a tenacidade à fratura e a densidade. Portanto, para serem utilizadas no chassi de um carro de corrida, as fibras devem ser leves, rígidas e resistentes. Porém, nenhum desses tipos de fibras apresenta todas essas características juntas. Como resultado, a aplicação exige algumas compensações. A fibra de carbono é a que apresenta as maiores propriedades mecânicas, mas é cara em relação às fibras de vidro e aramida. A fibra de vidro é a mais utilizada para aplicações industriais em geral. No ramo automobilístico são mais utilizados para carrocerias, pois são componentes pouco solicitados em termos de cargas. As fibras de carbono são utilizadas na construção monocoque, componentes de suspensão e caixas de câmbio. As fibras de aramida também apresentam propriedades mecânicas inferiores, em relação às fibras de carbono, mas possuem a menor densidade. Então eles são a fibra mais leve e a mais resistente. Ou seja, são bastante resistentes a impactos. Por esta razão são comumente utilizados como painéis de intrusão em monocoques. As aramidas são elásticas o suficiente para absorver energia significativa durante os impactos. Portanto, a aplicação dessas fibras depende dos requisitos do componente.

Fibras de vidro

As fibras de vidro são as fibras mais comuns para uso geral. Existem fibras de vidro desde o campo militar até o campo industrial comum. A principal razão para isso é o seu custo e suas propriedades mecânicas razoáveis. Na verdade, as fibras de vidro têm boa resistência à tração, resistência química e propriedades de isolamento. Isso justifica sua ampla gama de aplicações. Porém, quando o desempenho solicitado é muito elevado, principalmente em termos de peso, normalmente não atinge os requisitos. A razão é que as fibras de vidro têm um módulo de tração fraco e alta densidade em relação às fibras de carbono e aramida. Além disso, é bastante sensível à abrasão durante o manuseio. Como resultado, é um material que tende a se desgastar. É uma fibra bastante dura, portanto inadequada para condições que exijam elevada capacidade de fadiga. Normalmente, isso também desgasta ou danifica a matriz de moldagem ou as ferramentas de corte.

Existem duas variações básicas de fibras de vidro, as de vidro S e as de vidro E. As fibras de vidro E são do tipo convencional, utilizadas nas aplicações mais gerais. As fibras de vidro S são uma classe de fibras de vidro de alto desempenho utilizadas para fins militares. Como estas não são compartilhadas entre outros campos industriais, é desenvolvida uma fibra secundária de vidro S. Às vezes são mencionadas como fibras de vidro S-2. As fibras de vidro E são as mais acessíveis, enquanto as fibras de vidro S têm o maior custo de fabricação entre as duas. As fibras S-2 têm resistência e módulo semelhantes em relação às fibras S, mas suas especificações são diferentes das fibras de vidro S.

Em qualquer classe, o principal componente de uma fibra de vidro é o óxido de silício (SiO2). Certamente existem outros compostos adicionados a fim de conferir características essenciais à composição final. Os outros ingredientes são B2O3, Al2O3, Na2O e K2O. Normalmente, os dois últimos são reduzidos para melhorar a resistência à água das fibras. Al2O3 e B2O3 são adicionados para melhorar a trabalhabilidade e a estrutura da rede, respectivamente. As fibras de vidro são consideradas materiais amorfos, pois não são ordenadas de longo alcance. Eles são ordenados a curta distância e desordenados a longa distância. Além disso, eles são definidos por uma temperatura de transição vítrea específica Tg.

A estrutura das fibras de vidro é composta por silício com quatro ligações covalentes de átomos de oxigênio. Portanto, a estrutura é 3D, um tetraedro composto por esses elementos. Os outros compostos estão dispostos aleatoriamente. Essa estrutura também pode variar em termos de organização, que pode ser mais ordenada ou desordenada. A temperatura de transição vítrea Tg varia de acordo com a estrutura. Se o silício for mais ordenado, a estrutura é mais cristalina. Portanto, as características da fibra de vidro são definidas pela composição, estrutura, grau e taxa de cristalização.

Fabricação

A produção de fibra de vidro começou na década de 1930 e é composta por diferentes etapas. São eles a dosagem, a fusão, a fibração, o revestimento, a secagem e a embalagem. O ponto principal do processo é que ele parte de uma matéria-prima em pó, que é fundida. Nessa parte o processo sofreu muito com contaminação, já que não existiam normas para controlá-lo. Hoje em dia, a produção das fibras de vidro, mesmo sendo mais acessível que as de carbono, é automatizada. A fusão das fibras de vidro requer fornos potentes, uma vez que o vidro tem um ponto de fusão muito elevado. Isto exige dos fornos a capacidade de atingir temperaturas como 1000 – 2000 °C. Como as fibras de vidro atingem temperaturas muito elevadas, 1000 °C, os testes padrão DSC e DMA não são capazes de recuperar informações sobre a fusão da fibra. A razão é a sua faixa de temperatura, que vai além daquela desses experimentos. O problema é que manter os fornos por muito tempo na faixa de temperatura de fusão (≈ 1400 °C / 2552 °C) é extremamente caro em termos de energia. Assim, as matérias-primas estão agora a aumentar os seus custos devido aos problemas energéticos.

Uma vez que o vidro fica muito fluido, ocorre um processo de refino, que reduz gradativamente a temperatura para precipitar impurezas e contaminantes. Feito o refinamento, é hora de realizar as fibras. A fibroização é realizada através de uma série de buchas de platina, nas quais o material é empurrado para dentro delas enquanto ocorre um resfriamento lento. Assim, obtém-se uma sílica amorfa ou mais cristalina de acordo com a taxa de resfriamento. Além disso, uma pequena tensão é aplicada no início da extrusão e quando tensionada pela bobinadeira. Isto é muito importante, pois em alguns casos é possível haver defeitos devido a tensões residuais no material. O objetivo é evitar falhas muito abruptas em baixos valores de tensões.

A próxima etapa é o efeito de revestimento ou tamanho. Embora as fibras sejam bastante novas, elas são bastante frágeis, facilmente desgastadas e friccionadas com outros filamentos. Em seguida, é realizado o revestimento. É a aplicação de uma camada protetora de agentes químicos que lubrifica os filamentos. Isso é realizado antes dos filamentos serem enrolados em um tambor. Os agentes evitam a abrasão e o atrito estático entre os filamentos e aplicam um ligante. Este último está na última etapa antes do enrolador. Ele embala os filamentos para formar um fio. O revestimento também prepara as fibras com agentes de acoplamento que promovem uma boa penetração da fibra na matriz. As próximas etapas da produção de fibra de vidro estão mais relacionadas à mecha, inspeções e embalagens.

Fibras de carbono

O mercado automobilístico mudou com a introdução de um material excepcional, a fibra de carbono. A faixa de desempenho deste vai de baixo a alto módulo de tração, 207 a 1035 GPa, respectivamente.

Características

Uma fibra de carbono de aplicação geral exibe baixo módulo, menor custo, menor peso, maior resistência à tração, maior resistência à compressão e maior tensão de tração na falha do que uma fibra de alto desempenho. Malick descreveu didaticamente as vantagens e desvantagens das fibras de carbono. As vantagens são sua relação resistência/peso, módulo de tração muito alto em relação ao peso, coeficiente muito baixo de expansão térmica linear, alta resistência à fadiga e alta condutividade térmica. Como pode ser percebido, as vantagens sugerem um material muito caro, resistente e leve. Por esta razão, as fibras de carbono são pouco utilizadas em automóveis de estrada. Na verdade, eles só são usados em aplicações onde o peso é mais importante que o custo. Conseqüentemente, é usado quase exclusivamente em alguns carros de corrida e de alto desempenho. No entanto, as fibras de carbono também apresentam desvantagens. Estes são a baixa tensão na falha, a baixa resistência ao impacto e a alta condutividade elétrica. Então, as fibras de carbono não são boas na absorção de energia nos impactos, o que é uma característica necessária para carros de produção em massa. No campo das corridas, isso é mitigado pelo uso de outros componentes do chassi para absorver energia. Por esta razão, o motorista deve estar apto.

Processo de fabricação e precursores

O processo de fabricação das fibras de carbono não é tão diferente do processo de fabricação das fibras de vidro. As principais etapas são a extrusão (fiação), oxidação ou estabilização térmica, carbonização e grafitização. A matéria-prima inserida no início do processo é basicamente de duas variações, a poliacrilonitrila (PAN) ou o piche, que é um resíduo de petróleo. Estes são chamados de precursores e são nomeados por precursores têxteis ou de piche, respectivamente, em algumas literaturas. O PAN é a fibra de carbono mais comum devido às suas elevadas propriedades mecânicas, enquanto o pitch resulta num material final frágil (Souto, F. et al, 2018). Por esta razão, a fibra de carbono é basicamente proibida no campo de corrida.

Uma vez fundido, o material é submetido a uma extrusão (fiação) a temperaturas muito elevadas. Existem muitas variações do processo de extrusão, elas aplicaram a contabilidade aos requisitos do projeto. Isso grafitiza o polímero e é o ponto principal da fabricação da fibra de carbono. A razão é que, dependendo do processo, da temperatura e da velocidade da cadeia produtiva, são obtidos diferentes materiais finais. As etapas de carbonização e grafitização são determinantes para a estrutura da fibra de carbono. No primeiro, as folhas de grafeno são empilhadas de forma desordenada, dobradas aleatoriamente. Na grafitização, as folhas de grafeno ficam mais ordenadas. O principal objetivo deste processo de produção é transformar a estrutura da folha de grafeno em uma estrutura mais grafítica.

Normalmente, as etapas de carbonização e grafitização são realizadas em atmosfera inerte. Retiram todos os elementos não orgânicos das fibras (Souto, F. et al, 2018), ao mesmo tempo que definem a sua estrutura. Se a carbonização fosse realizada em ambiente de nitrogênio a uma temperatura intermediária, seria possível atingir um módulo de elasticidade em torno de 2.000-3.000 GPa. Isto caracteriza uma fibra de carbono de alta tensão, mas não é um caso comum. A grafitização pode atingir temperaturas em torno de 2500-3000 °C, mas o módulo de elasticidade é melhorado em cerca de 500-700 GPa.

Na verdade, a estrutura ideal da fibra de carbono seria composta por uma simples camada de grafeno. A partir deste é possível obter os nanotubos de carbono. Portanto, uma estrutura cheia de grafeno seria a estrutura ideal de fibra de carbono. No entanto, isto não é possível devido às extraordinárias propriedades térmicas e elétricas. Além disso, a estabilidade do oxigénio deste material seria muito fraca. Portanto, o processo possível é mais desordenado no que diz respeito à estrutura. Este é o turbostrático, cujas folhas de grafeno são dobradas de forma semi-desordenada. Isto é feito na etapa de carbonização. Depois disso, o material é aquecido acima de 2.000 °C, obtendo-se assim uma estrutura grafítica que realça as características do material. Normalmente, o resultado é um módulo de elasticidade bastante elevado, mas muito frágil.

Um detalhe importante na fabricação da fibra de carbono é a temperatura na qual o material é aquecido. Na extrusão, tanto o PAN quanto o piche são expostos a temperaturas de cerca de 200-300°C. Na verdade, o piche também passa por um tratamento térmico antes do processo de fiação por fusão, no qual atinge cerca de 300-500 °C. Porém, os últimos processos, carbonização e grafitização ocorrem a 1000-2000 °C e 2000 °C, respectivamente. Portanto, este material não pode ser testado através de experimentos de DSC, porque sua faixa de temperatura está fora da faixa deste teste. Como o DSC pode atingir composição polimérica, se atingir temperatura muito elevada, assim o processo para o carbono grafítico partiria do polímero, realizando uma grafitização controlada.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante o curso de Materiais Compósitos cursado na Università di Modena e Reggio Emilia;
• Mallick, P.K. Fiber-Reinforced Composite: materials, manufacturing and design. Edition 3, CRC Press, 2008;
• B. Vessal. Amorphous Solids. C.R.A. Catlow, Computer Modeling in Inorganic Crystallography, Academic Press, 1997, 295-332, ISBN 9780121641351. Available online at: https://doi.org/10.1016/B978-012164135-1/50013-7 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780121641351500137);
• Felipe Souto et al 2018 Mater. Res. Express 5 072001.