Fibra de carbono: como é feito e como funciona este material incrível

Matéria publicada originalmente em março de 2015

Ele está nas aeronaves que vemos sobrevoando os céus de todo o mundo e também está nas bicicletas mais poderosas. Podemos ver as aplicações em acessórios para esportes — como tacos, raquetes e vários outros — e nos painéis dos carros. Você pode não saber como ele é feito e nem conhecer todas as aplicações possíveis, mas você certamente já ouviu falar deste material: fibra de carbono.

Sendo um material sintético, a fibra de carbono é composta por filamentos construídos majoritariamente de carbono, mas não apenas desse elemento — pois há outros utilizados para a produção dos filamentos e também para a sustentação das fibras. Entretanto, o que faz da fibra de carbono um material tão elogiado e utilizado em todo o mundo? Por que queremos que esteja cada dia mais presente?

A resposta para isso é relativamente simples, mas precisa de uma base que você vai conferir agora mesmo. Em resumo, a fibra de carbono é leve e forte, sendo uma excelente opção para o ferro. Como ela pode substituir outras ligas e por que isso tem sido muito importante nos últimos anos é o que você vai descobrir... Acredite, a fibra de carbono está mais presente na sua vida do que você imagina.

Como é feita esta fibra?

A principal matéria-prima das fibras de carbono é o polímero de poliacrilonitrila — obtido a partir da polimerização de uma variação do acrílico. A vantagem dessa fonte é a alta concentração de carbono, uma vez que mais de 90% dos átomos no material são justamente disso. Durante a produção, o polímero é esticado e se torna paralelo ao eixo das fibras, formando uma liga bem rígida e resistente.

Depois dessa etapa, ocorre uma oxidação em altas temperaturas (de 200 °C a 300 °C) para fazer com que os átomos de hidrogênio sejam removidos das chapas ou ligas — ao mesmo tempo que o oxigênio é adicionado. Em seguida, ocorre um novo aumento de temperatura até 2.500 °C, para que ocorra uma total carbonização. Ao final de tudo isso, ainda existe o dimensionamento. Este processo é o da moldagem, em que as fibras são tecidas (em fios com até 10 micrômetros de espessura) e depois resinadas para se unirem — isso será mais bem descrito no decorrer do texto.

Resumindo... A produção das fibras de carbono é dividida em quatro etapas indispensáveis: polimerização por pirólise (extração do carbono a partir do superaquecimento da poliacrilonitrila); ciclização (método de esticamento dos polímeros para o eixo da fibra); oxidação (extração do hidrogênio e adição do oxigênio); e adição de reagente (quando o epóxi será adicionado para a moldagem das placas de carbono).

Materiais possíveis

Como já dissemos, a pirólise de materiais ricos em carbono é a origem de polímeros dessa substância. Praticamente qualquer material orgânico pode ser utilizado para isso, mas a escolha é totalmente baseada na quantidade de carbono que existe em cada fonte. Em 1879, Thomas Edison conseguiu criar fibras a partir de algodão e bambu, mas hoje esse tipo de extração se tornou menos viável.

Anos depois, na década de 1950, Roger Bacon realizou um processo diferente e conseguiu resultados similares a partir de seda artificial Raiom. Mas foi apenas na década de 1960 que as empresas japonesas começaram a utilizar a poliacrilonitrila (PAN). Não demorou muito para que todo o mercado se voltasse a esse mesmo procedimento, que se mostra mais viável e barato em escala industrial.

Ainda existem outras fontes utilizadas ao redor do mundo, mas é preciso dizer que isso ocorre em escalas menores. Um exemplo disso é o carro Krestel, que foi produzido em 2010 e tem como base a fibra de carbono extraída a partir do cânhamo. Também há fibras produzidas a partir de algodão, linho e diversos outros materiais orgânicos.

A importância da cola

A fibra de carbono não seria nada sem a presença de uma cola tão resistente quanto ela. É claro que não podemos nos referir ao elemento de fixação como uma cola comum, mas sim como uma resina epóxi de alto desempenho. É ela que fará com que as chapas de fibra fiquem estabilizadas e aproximadas. Não é exagero dizer que, sem as resinas epóxi, fibras de carbono não teriam a resistência que permite a aplicação em tantos meios como acontece hoje.

Como o site ArsTechnica afirma: “A dureza e a leveza da fibra de carbono deriva de duas coisas. Primeiro estão os componentes que serão a base dos filamentos de carbono, aliados ao epóxi que moldará o elemento-base. A segunda coisa é a troca química entre dois elementos que fará com que o material se misture, permitindo que o epóxi seja realmente a sustentação de tudo”.

Compostos ou nada

Você não vai encontrar um produto no mercado que seja 100% carbono. As empresas utilizam o material em conjunto com outros elementos para que as fibras sejam aplicáveis em diversos processos. Isso é o que gera os materiais compostos reforçados por ligas plásticas ou metálicas, por exemplo.

Na indústria, uma das aplicações mais claras disso está no “Carbon Fiber Reinforced Plastic” (CFRP), que é utilizado em aviões e muitos outros bens de alto desempenho e que demandam durabilidade elevada. Este é outro momento em que se torna bem clara a importância vital dos epóxis de alta qualidade.

Por que usar?

Uma das principais vantagens que as fibras de carbono têm sobre o aço é a leveza do material. Sem o peso dos metais, as estruturas se tornam mais leves — facilitando o transporte e também reduzindo custos no caso da produção de veículos —, ao mesmo tempo que não ocorre a perda de resistência das ligas obtidas a partir da junção de fibras de carbono com epóxis e materiais plásticos.

No ramo da construção civil, o que torna os compostos carbonosos mais interessantes do que metais é a durabilidade. Por causa de sua estrutura não oxidável, a ação do tempo não confere corrosão aos materiais. Ou seja, ele pode ser mantido por muitos anos sem que ocorra qualquer dano por processos similares à “ferrugem”.

Usos e benefícios

Ligas baseadas em fibras de vidro são levadas para diversos mercados, sempre utilizadas para garantir leveza e resistência aos produtos em que são aplicadas. O CFRP utilizado em aviões é vital para que as aeronaves fiquem mais leves e economizem combustível, além de sofrer menos com a ação do tempo — o que aumenta a durabilidade.

Na Fórmula 1, carros criados com fibras de carbono atingem velocidades mais altas e protegem melhor os pilotos do que outras ligas. Indo para ambientes mais próximos de nós, as bicicletas “Carbon” vistas nas pistas profissionais conseguem oferecer desempenho sem igual — sendo também vistas nas corridas de estrada.

Ainda em relação aos esportes, é preciso dizer que a fibra de carbono pode ser vista em muitos locais diferentes. A empresa Zoltek afirma que a utilização do material pode ser vista em “tacos de golfe, raquetes de tênis, esquis, snowboards, tacos do hóquei e varas de pescar”. Isso sem falar da importância na indústria, em setores de pesquisa e desenvolvimento e também na construção civil.

Números concretos

Em 2012, um relatório publicado na Reinforced Plastics mostrou os usos da fibra de carbono em escala global. Na época, a maior utilização dos materiais era relacionada à produção das turbinas de vento para fins aeroespaciais e automobilísticos (23% do total). Em seguida, produtos para fins bélicos e construção aeronáutica somavam 18%, seguidos de perto por materiais esportivos (17%).

Outro caminho rentável é a produção de compostos e moldes diversos, algo que leva 12% de toda a fibra mundial. Apenas 6% da produção mundial são enviados para a construção civil, e a indústria automotiva também demanda a fibra de carbono e chega a 5% do uso total — lembrando que neste segmento a fibra de vidro é mais utilizada.

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Você já deve ter percebido claramente: fibras de carbono são de suma importância para a tecnologia. De todos os usos do material, qual é o que mais influencia sua vida? Será que as fibras de carbono serão ainda mais importantes no futuro?