Fibras de Carbono em Compósitos Avançados: Microestrutura, Processamento, Aplicações e Inovação Tecn

Jamile Brandi atua desde 2011 como Especialista em Tecnologia Nuclear na Diretoria de Desenvolvimento Nuclear da Marinha do Brasil na área pesquisa e desenvolvimento de materiais poliméricos, elastômeros e compósitos voltados para aplicações em sistemas de separação isotópica. Além disso, desde 2011 atua no projeto Fibra de Carbono Nacional da Marinha do Brasil na área de desenvolvimento e produção, na única planta para tal existente no país. Possui Graduação em Química (Universidade Estadual Paulista, 2003–2008), Mestrado em Nanociências e Materiais Avançados (Universidade Federal do ABC (2008–2011) e cursa o Doutorado em Energia Nuclear (Universidade de São Paulo, 2024).

Jamile Brandi has been working since 2011 as a Nuclear Technology Specialist at the Nuclear Development Directorate of the Brazilian Navy, focusing on research and development of polymeric materials, elastomers, and composites for applications in isotopic separation systems. Additionally, since 2011, she has been involved in the Brazilian Navy's National Carbon Fiber project, focusing on development and production in the country's only plant for such purposes. She holds a Bachelor's degree in Chemistry (São Paulo State University, 2003–2008), a Master's degree in Nanosciences and Advanced Materials (Federal University of ABC, 2008–2011), and is currently pursuing a Ph.D. in Nuclear Energy (University of São Paulo, 2024).

Jamile Brandi, M.Sc. Especialista em Tecnologia Nuclear,
Diretoria de Desenvolvimento Nuclear da Marinha do Brasil

Resumo

A demanda crescente por estruturas mais leves e com elevada resistência mecânica tem favorecido o uso cada vez maior de materiais compósitos reforçados por fibras cerâmicas. As fibras de carbono têm sido amplamente utilizadas para esse fim em virtude de sua excelente relação resistência-densidade, elevado módulo de elasticidade, resistência à corrosão, condutividade elétrica e baixo coeficiente de expansão térmica. Elas podem ser preparadas a partir de diferentes precursores, como piche, rayon, lignina e polietileno, sendo aqueles à base de poliacrilonitrila (PAN) os mais utilizados. O processo mais utilizado para fiar o precursor de PAN é o método por via úmida (wet spinning), onde o polímero solubilizado em um solvente polar é extrudado através de uma fieira em um banho de coagulação. Depois de formar os filamentos, as moléculas da PAN são orientadas por meio de estiramento, sendo esta etapa essencial para melhorar as propriedades mecânicas do produto final. As fibras são então processadas termicamente para conversão em fibra de carbono. A primeira etapa do processamento é conhecida como estabilização oxidativa, onde são utilizadas temperaturas entre 200 e 300°C e ar atmosférico. Em seguida, o processo de carbonização é realizado em atmosfera inerte de nitrogênio em duas etapas: i) baixa (300–1000°C) e ii) alta temperatura (1000–1500°C). Ao final da carbonização a fibra passa por uma etapa de eletrólise, para ativação da superfície, e por um banho de recobrimento superficial protetor (sizing), que possibilita a manipulação posterior. Nesta palestra serão apresentados aspectos do processo produtivo das fibras de carbono, sua microestrutura (antes e após o processo de carbonização), suas aplicações tradicionais e em compósitos avançados, bem como novas técnicas de modificação superficial e impregnação da matriz dos compósitos.

Abstract

The demand for lighter structures with high mechanical strength has favored the growing use of composite materials reinforced with ceramic fibers. Carbon fibers have been widely used for this purpose due to their excellent strength-to-density ratio, high modulus of elasticity, corrosion resistance, electrical conductivity, and low coefficient of thermal expansion. They can be prepared from different precursors such as pitch, rayon, lignin, and polyethylene, with those based on polyacrylonitrile (PAN) being the most commonly used. The typical process for spinning the PAN precursor is the wet spinning one, where the polymer is dissolved in a polar solvent and extruded through a spinneret into a coagulation bath. After forming the filaments, PAN molecules are oriented by stretching, which is essential to improve the mechanical properties of the final product. The fibers are then thermally processed towards conversion into carbon fiber. The first stage of processing is known as oxidative stabilization, which employs temperatures between 200-300°C and atmospheric air. Next, the carbonization process is carried out in an inert nitrogen atmosphere in two stages: i) low (300–1000°C) and ii) high temperature (1000–1500°C). At the end of carbonization, the fiber undergoes an electrolysis step for surface activation, and a protective surface coating bath (sizing) is applied to enable further handling. This lecture will present aspects of the production process of carbon fibers, their microstructure (before and after the carbonization process), their traditional and advanced composite applications, as well as new techniques for surface modification and matrix impregnation of composites.