Tipos de fibras utilizadas em materiais compósitos

As propriedades estruturais dos materiais compósitos são derivadas principalmente do reforço de fibras. Em materiais compósitos, as fibras mantidas no lugar pela resina da matriz ajudam a aumentar a resistência à tração, melhorando as propriedades da peça final, como resistência e rigidez, ao mesmo tempo que minimizam o peso.

As propriedades da fibra são determinadas pelo processo de fabricação da fibra, bem como pelos ingredientes e produtos químicos de revestimento usados ​​no processo.

Fibra de vidro

A maioria das fibras utilizadas na indústria de compósitos são fibras de vidro. A fibra de vidro é o material de reforço mais antigo e de longe o mais comum na maioria das aplicações do mercado final (sendo a indústria aeroespacial uma exceção importante), onde é usada para substituir peças metálicas mais pesadas.

A fibra de vidro é mais pesada que o próximo material de reforço mais comum, a fibra de carbono, não é tão dura, mas é mais resistente ao impacto e tem maior alongamento na ruptura (ou seja, estica mais antes de quebrar). Dependendo do tipo de fibra de vidro, do diâmetro do filamento, da composição química do revestimento (chamado “dimensionamento”) e da forma da fibra, uma ampla gama de propriedades e níveis de desempenho pode ser alcançada.

Para fazer fibras de vidro, a matéria-prima é derretida e transformada em filamentos delgados e altamente moídos, variando de 3,5 mícrons a 24 mícrons de diâmetro. A areia sílica é a principal matéria-prima, geralmente representando mais de 50% do peso da fibra de vidro. Óxidos metálicos e outros componentes podem ser adicionados à sílica, e os métodos de processamento podem ser alterados para personalizar as fibras para aplicações específicas.

As fibras de vidro contínuas são fornecidas em feixes chamados mechas. A mecha é geralmente um feixe de fios não torcidos enrolados como linha em um carretel grande. A mecha de extremidade única consiste em fios de múltiplas fibras de vidro contínuas que se estendem ao longo do comprimento do fio. A mecha múltipla contém fios mais longos, mas não completamente contínuos, que são adicionados ou descartados em um arranjo escalonado durante o enrolamento. Um fio é um grupo de fios torcidos juntos.

A fibra de vidro elétrica, ou fibra de vidro E, tem esse nome porque sua composição química a torna um excelente isolante elétrico, particularmente adequado para aplicações que exigem transparência de sinal de rádio, como radomes de aeronaves, antenas e placas de circuito impresso. No entanto, é também a fibra de vidro mais económica para materiais compósitos, proporcionando resistência suficiente a um custo relativamente baixo para satisfazer os requisitos de desempenho em muitas aplicações. Tornou-se a forma padrão de fibra de vidro, representando mais de 90% de todos os materiais de reforço de fibra de vidro. Pelo menos 50% da fibra de vidro E consiste em óxido de silício; As licenças incluem óxidos de alumínio, boro, cálcio e/ou outros compostos, incluindo calcário, fluorita, ácido bórico e argila.

Quando é necessária maior resistência, as fibras de vidro de alta resistência, desenvolvidas pela primeira vez para aplicações militares na década de 1960, são uma opção. Tem vários nomes - fibra de vidro S nos Estados Unidos, fibra de vidro R na Europa e vidro T.2 no Japão. Fibra de vidro, sua resistência à tração do fio é de cerca de 700 ksi, módulo de tração de até 14 Msi. O teor de óxido de silício, alumina e óxido de magnésio da fibra de vidro S é significativamente maior do que o da fibra de vidro E e é 40 ~ 70% mais forte do que a fibra de vidro E.

When the temperature is increased from ambient temperature to 540°C, the tensile strength of E-glass fiber and S-glass fiber is reduced by half, although both fibers still exhibit good strength over this elevated temperature range. Manufacturers constantly adjust the formula of S glass fiber. For example, AGY Holding Corp. (Aiken, SC, US) introduced S-3 UHM (Ultra High Modulus) glass fiber a few years ago. The upgraded S-3 glass fiber has a tensile modulus of 14,359, which is higher than S-glass fiber glass and 40% higher than E-glass, due to improved fiber manufacturing as well as proprietary additives and melt chemistry.

Although glass fibers have relatively high chemical resistance, they are eroded by leaching when exposed to water. For example, an E-glass filament with a diameter of 10 μs typically loses 0.7% of its weight when left in hot water for 24 hours. However, the rate of erosion slows significantly because the leached glass fibers form a protective barrier on the outside of the filaments; After 7 days of exposure, the total weight loss was only 0.9%. To slow down erosion, moisture-resistant adhesives, such as silane compounds, are used in the fiber manufacturing process.

Corrosion-resistant glass fibers, known as C glass fibers or E-CR glass fibers, are more resistant to acidic solutions than E glass fibers. However, E-glass fiber and S-glass fiber are more resistant to sodium carbonate solution (alkali) than C-glass fiber. Boron-free glass fibers are comparable in performance and price to e-glass, showing higher corrosion resistance in acidic environments (similar to E-CR glass fibers), higher elastic modulus, and better high-temperature performance. In addition, removing boron from the manufacturing process has less impact on the environment, which is a decisive advantage.

Fibra de carbono

A fibra de carbono é de longe a fibra mais utilizada em aplicações de alto desempenho e é produzida a partir de uma variedade de precursores, incluindo poliacrilonitrila (PAN), rayon, asfalto e precursores ricos em carbono de base biológica, como lignina ou bio- PAN baseado. As fibras precursoras são tratadas quimicamente, aquecidas e esticadas e depois carbonizadas para formar fibras de alta resistência. As primeiras fibras de carbono de alto desempenho do mercado foram feitas a partir de precursores de rayon. As fibras de carbono baseadas em panela há muito substituíram o rayon em aplicações estruturais, mas a seção transversal "dogbone" do rayon e as propriedades de alta temperatura muitas vezes o tornam a fibra preferida para a ablação de compósitos de carbono/carbono (C/C) em escudos térmicos. A fibra de carbono à base de panela é a fibra de carbono mais amplamente utilizada. Eles oferecem uma gama de propriedades incríveis, incluindo excelente resistência (1000 KLB/polegada quadrada) e alta rigidez. As fibras de asfalto são feitas de petróleo ou betume de carvão e têm rigidez alta a extremamente alta e expansão térmica axial baixa a negativa (expansão térmica CTE). Suas características CTE são particularmente úteis em aplicações de espaçonaves que requerem gerenciamento térmico, como caixas de instrumentos eletrônicos.

Embora a fibra de carbono seja mais forte que a fibra de vidro ou de aramida, devido à sua condutividade elétrica, a fibra de carbono não só apresenta baixa resistência ao impacto, mas também pode causar corrosão galvânica no metal com o qual entra em contato. Os fabricantes superam o último problema usando um material de barreira ou camada de véu (geralmente fibra de vidro/epóxi) durante o processo de laminação do laminado.

A forma básica de fibra de carbono de alto desempenho é um feixe de fibras contínuo chamado reboque. O feixe de fibra de carbono consiste em milhares de filamentos contínuos e sem torção, sendo o número de filamentos representado por um número seguido de um "K", que significa multiplicado por 1.000 (por exemplo, 12K significa que o número de filamentos é 12.000). A estopa pode ser usada diretamente para processos como enrolamento de fibra ou pultrusão, ou pode ser convertida em fita unidirecional, tecido e outras formas aprimoradas.

Moldagem por injeção

Também conhecida como moldagem por injeção, são as matérias-primas de resina termoplástica (pelotas), como náilon reforçado com fibra de carbono e policarbonato, que são aquecidas, derretidas e injetadas na cavidade do molde (gap). Este é um método de moldagem adequado para ciclos curtos e moldagem de formas complexas.