O que é a fibra de carbono?

No post anterior, falamos sobre a importância do material para a eficiência dos freios, agora vamos conhecer mais sobre esse material tão interessante e visado em inúmeros setores do mercado.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.

a fabricante de supercarros koenigsegg foi uma das pioneiras a  empregar fibra de carbono nas rodas de seus esportivos

Como é feita esta fibra?

A principal matéria-prima das fibras de carbono é o polímero de poliacrilonitrila — um material 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 em 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 — isto 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 tornou-se 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 mostra-se 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”.

                                         Lamborghini Sexto Elemento, recebe esse justamente pelo uso extensivo de fibra em sua construção ( já imaginou o Bajacaré "Sexto elemento"?)

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 tornam-se mais leves — facilitando o transporte e também reduzindo custos no caso da produção de veículos —, ao mesmo tempo em 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.

usada também raquetes profissionais.

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.

Se ela é tão fantástica por que é tão pouco empregada?

Simples: Grana. Seu custo de produção é o Calcanhar de Áquiles do emprego extensivo desse material, pois sua produção torna quase sempre inviável o uso da mesma em vários materias, fazendo muitas empresas buscarem o uso de fibras mistas (a fibra de carbono com outras fibras) para tentar 
conter custos. Aquelas 4 etapas de produção da fibra citadas lá encima consomem muita energia e tempo de produção, por um material que ainda precisa de algumas semanas pra ficar pronto. O jeito é esperar a inovação no meio de produção da fibra de carbono e esperar que os preços caiam.

Um pouco sobre os freios

A função dos freios a disco é remover a energia cinética gerada pelo movimento do veículo e converte-la em calor para fazer com que o carro pare. Ele começa a funcionar a partir da pressão do pé do motorista no pedal do freio, transmitindo a pressão feita no pedal até as rodas e acionando o sistema para a frenagem, ocasionando uma pressão hidráulica.
Esta pressão provoca um atrito nas pastilhas de freio, produzindo a força necessária para reduzir a velocidade da roda do carro. O freio converte a energia cinética do veículo em calor, e o mesmo se dissipa no ar.
dessa maneira, o tipo de material usado é muito importante para o desempenho do freio, pois um material ineficiente que não dissipa tanto calor, resultará no que chama-se de Fading , termo em ingles que se refere a fadiga, que é quando o material atinge seu limite de dissipação de calor. E quando esse limite é atingido ocorre o Fading. Porque tão importante quanto gerar calor é poder dissipá-lo, pois a concentração de calor reduz abruptamente o coeficiente de atrito, reduzindo a capacidade de frenagem do veículo.

                       um exemplo de freio feito de compositos de fibra de carbono/ceramica utilizados em bicicletas de corrida

Nas competições, o arrefecimento dos freios sempre receberam grande atenção dos projetistas, uma vez que os discos metálicos demoram para arrefecer. A condutividade térmica das ligas de ferro fundido, materiais básicos da composição dos discos, não ajuda muito, então uma ventilação forçada é necessária.
Em 1976, a equipe Brabham de formula 1, do projetista Gordon Murray percebeu que fazer discos maiores não era possível em função do espaço disponível e conseqüente peso elevado, a solução foi melhorar o material do disco. Murray foi buscar a solução em uma das máquinas mais incríveis já criadas pelo homem, o jato comercial Concorde.

O avião Concorde

O Concorde era o avião de passageiros mais rápido do mundo, capaz de cruzar o Atlântico, de Nova York a Londres, em três horas. Sua fuselagem estreita e longa, as asas em forma de delta e os motores  Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 capazes de levar o Concorde a velocidades supersônicas. No pouso, os freios do Concorde deviam segurar 185 toneladas a mais de 300 km/h.

A Dunlop foi a empresa responsável pelo desenvolvimento dos freios para o Concorde, e a pioneira em entregar freios de carbono. O material compósito, extremamente resistente, era capaz de substituir os tradicionais discos de ferro fundido. Os primeiros vôos de teste do Concorde foram feitos ainda com discos metálicos, e em 1972 os primeiros protótipos do novo material compósito foram testados e aprovados. Na verdade, não apenas os discos eram de carbono, mas as pastilhas também. É importante lembrar que o freio funciona com o atrito entre disco e pastilha. Não adianta apenas um dos dois componentes ser eficiente, pois o contato entre eles é que interessa. As pastilhas também eram de feitas de uma massa composta de fibra de carbono e diversos outros materiais para “dar liga” e criar as características necessárias.

Além de serem extremamente estáveis trabalhando em altas temperaturas, os discos de carbono são consideravelmente mais leves que os discos metálicos. No Concorde, assim como em um carro de corrida, cada grama conta muito, e como são usados vários discos no avião todo, tanto nas rodas como nos eixos, foi possível reduzir o peso de todo o sistema de freio do avião em incríveis 5 toneladas.

Sistema de trem de pouso e freio do Concorde (wikipedia.com)

Se era possível melhorar tanto o desempenho do sistema de freios do avião de passageiros mais moderno do mundo, em um carro de corrida seria ainda melhor. Gordon Murray procurou a Dunlop para adaptar o projeto do sistema do Concorde para um carro, e assim nasceu o primeiro disco de freio de carbono para carros de corrida.

freio de carbono/ceramica usado em competições

O desenvolvimento do sistema foi crescendo ano a ano, e passou a ser um padrão na F-1 e em diversas outras categorias de ponta. O ganho de poder de frenagem, peso reduzido (quase metade do peso de um disco convencional), baixo consumo de materiais de atrito e a confiabilidade do sistema não sofrer de fading, garantindo assim o tão desejado desempenho que se procura em um carro de alto desempenho.

Equipe UFMT Baja participa do 11º encontro de esportes radicais no Estado de Mato Grosso

Veículo UFMT Baja- Protótipo BAJACARÉ IV

          Nos dias 18 e 19 de outubro de 2014, durante o 11º Encontro de Esportes Radicais, no município de Jaciara – MT, foram realizadas provas radicais nas categorias Jip Cross e Kart Cross. Tendo no sabado as provas classificatórias e no domingo as competições divididas em modalidades dentro das categorias definidas.

A categoria Kart Cross estava divida em duas modalidades, sendo elas 250 cilindadras e livre.

            A equipe UFMT BAJA,  tendo como objetivo a divulgação do projeto, marcou presença durante o segundo dia da competição participando como safety car na competição de KartCross.

Telemetria

     A telemetria (do Grego "tele" que quer dizer "remoto" e "metron", "medida") é uma tecnologia de monitoramento, rastreamento ou medição de qualquer máquina ou aparelho através de dados enviados por meio de comunicação sem fio, que pode ser via rádio ou satélite, a uma central de controle.

Futuro sobre trilhos: levitação eletromagnética

                                 Projeto trem bala Maglev japonês – Implementação em 2027

        Um dos problemas, talvez, mais interessantes da engenharia, está relacionado ao transporte. Projetar e desenvolver um sistema de transporte que reduza quantidade de veículos, que reduza tempo de viagem, e que reduza gastos se torna um grande desafio. A patente de um sistema de transporte que faz a diferença em relação a outros tendo como base estes quesitos, é registrada por um brasileiro, o engenheiro e doutor em Engenharia de Transportes Eduardo Gonçalves Davi. Ele é um dos inventores e titulares de patente do Maglev Cobra, um trem movido à levitação magnética, projeto que teve sua fase inicial de testes em bancada (protótipo em escala) há quatro anos na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Trata-se de um sistema de transporte coletivo cuja implementação equivale a um terço do investimento empregado a um sistema convencional de metrô e seu custo de manutenção pode ser até 50% mais barato, sendo um veículo não poluente.

Dupla embreagem - velocidade e desempenho

Esboço da caixa de câmbio de dupla embreagem da Kégresse para a Citroën

A necessidade de se desenvolver sistemas de transmissão em veículos que pudessem desacoplar o eixo que transmite o movimento do motor para as rodas, com a finalidade de aproveitar melhor a relação entre a velocidade de rotação do motor e a velocidade de rodagem para o aumento da velocidade, faz com que entendamos melhor o funcionamento e a necessidade da embreagem.

A evolução do pneu

O pneu é um componente imprescindível nos dias de hoje, pois devido ao avanço da engenharia na construção de meios de transporte mais velozes e com capacidade para o transporte de enormes cargas, os pneus precisaram passar por modificações para que fosse possível se enquadrar nessa nova era dos transportes. Isso fez com que ele passasse por muitas etapas de desenvolvimento desde sua origem, no século XIX, até atingir a tecnologia atual.