CONGRESSO SAMPE-2015 · Propriedade Unidade Fibra de Vidro Fibra Aramida Fibra de Carbono Densidade...
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CONGRESSO SAMPE-2015
FIBRAS DE CARBONO
HISTÓRICO
E
APLICAÇÕES PRÁTICAS
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O QUE É A FIBRA DE CARBONO?
É um polímero “carbonizado”!
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Poliacrilonitrila • Teor de carbono fixo: 40-45%
Precursores da Fibra de carbono
P.A.N. = É o mais conhecido e mais usado
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• Piche: constituído de muitas substâncias aromáticas (exemplo: benzeno), é um termoplástico.
• Teor de carbono fixo: > 75 %
Precursores da Fibra de carbono
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Precursores da Fibra de carbono
• Fibras de rayon (celulose - termorrígido)
• Teor de carbono fixo: ~10 - 30 %
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COMO É OBTIDA A FIBRA DE CARBONO
Termoplástico
Termorrígido
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FIBRAS DE CARBONO
Modelo de textura de fibras de carbono baseadas em PAN
mostrando a heterogeneidade casca-núcleo
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HISTÓRICO
• Primeira patente de obtenção de fibras
de carbono (Inglaterra): - © Joseph Swan 1860 - queima de filamentos de bambu - filamento incandescente em lâmpadas elétricas, operando em vácuo parcial.
• Lâmpadas com filamento de tungstênio:
- luz quase branca (bulbo com vácuo parcial) - baixa luminosidade ...
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HISTÓRICO
• Primeira patente de obtenção de fibras de carbono (EUA):
- © Thomas Edison 1880 - Queima de algodão, para uso como filamentos em lâmpadas elétricas.
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HISTÓRICO
• 1897: Thomas Edison inventa a
lâmpada elétrica
• 24/11/1900 (Revista Scientific American)
U$ 200 / 20 lâmpadas
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Tecido de Fibra de Carbono
CCS-200
Fibra de Carbono = fio acrílico carbonizado 11
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AUTOMOBILÍSTICA
AEROESPACIAL
INDÚSTRIA MECÂNICA
PRODUTIVIDADE
DESEMPENHO
1
CUSTO
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TIPOS DE REFORÇO INDICADOS POR APLICAÇÃO
AEROESPACIAL
PRE PREGS
TECIDOS
ROVINGS
INDÚSTRIA MECÂNICA
HEAVY TOW
ROVINGS
TECIDOS UD
AUTOMOBILÍSTICA
LFTP – TERMPLÁSTICOS COM
FIBRAS LONGAS
TECIDOS – Plain ou Twill (sarja)
com resinas termoplásticas ou
termofixas.
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PROCESSOS DE ALTA PRODUTIVIDADE
PULTRUSÃO
FILAMENT
WINDING
FIBER
PLACEMENT
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Propriedade Unidade Fibra de
Vidro
Fibra
Aramida
Fibra de
Carbono
Densidade g/cm³ 2,55 1,44 1,76
Elongação % 4,80 2,70 1,50
Módulo de
Elasticidade GPa 72 100 240
Propriedades das Fibras
Comparação
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16
Material Densidade
(g/cm³)
Mód. de
Elast. E
(GPa)
Resist. à
Tração
(MPa)
Aço 1010 7,87 207 365
Alumínio 6061 2,70 69 310
Compósito
Carbono+Epoxi 1,50 138 1550
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EXEMPLO DE APLICAÇÃO VASO DE PRESSÃO PARA GNV
COMPOSIÇÃO DO CUSTO
Matéria Prima 97 %
Mão de Obra 0,92 %
Custos Indiretos 1,93 %
Depreciação Eq.& instal. 0,17%
Amortização investimento
0,30%
C.material $872,48 [US$] C.m.obra $8,31 [US$]
C.indiretos $17,45 [US$] C.depr. R$1,52 [US$]
C.invest R$2,68 [US$]
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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O PROCESSO PRODUTIVO
“ FILAMENT WINDING”
Bobinagem filamentar
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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EQUIPAMENTO UTILIZADO
Máquina de Filament Winding IBCOm/PARCERIAS
Características
Eletrônica – 4 eixos programáveis - CNC
Capacidade: Φ 400mm L max 2000 mm
Produz 4 cilindros por vez
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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1
2
3 4
1 – Rotação do mandril
2 – Deslocamento do carro
3 – Deslocamento do braço do carro
4 – Rotação do olhal
Eixos programáveis na máquina de Filament Winding
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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PRODUTIVIDADE Φ 356 mm x 1650 mm
Quantidade de cilindros por lote: 4
Tempo de produção de 1 lote: 47 min
Produção diária: 2 turnos de 8horas: 80 pças
Produção mensal: 1760
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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EXEMPLO DE APLICAÇÃO VASO DE PRESSÃO PARA GNV
Material Dimensões
mm
Peso
vazio kg
Preço
R$
Compósitos Φ = 244 mm
L = 850 mm
22 R$ 870
42 R$ 628 Aço
Compósitos Φ = 356 mm
L = 1650 mm
71,6 R$ 2.665
123,1 R$ 2.980 Aço
• Liner de termoplástico rotomoldado
• Camada helicoidal em fibra de carbono
• Camada circunferencial em Aramida
• Pressão interna: 240 bar
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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SISTEMA LEVE DE DISTRIBUIÇÃO DO GÁS NATURAL
EM LOCALIDADES NÃO SERVIDAS POR GASODUTO.
• POSTOS DE COMBUSTÍVEL
• INDÚSTRIAS
• CONDOMÍNIOS
• EDIFÍCIOS
SLD
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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Lt
X
F
f
TL
t
t
b
tch
F
VIGAS PARA ELEVAÇÃO DE CARGA
f = FL3
3EI I = H3t + t3(b-2t)
6
EI = Módulo de rigidez da viga
E = Módulo de elasticidade do material da viga
I = Momento de Inércia da secção transversal da viga
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Aço ASTM A36 Fibra de carbono GP
293 82
R$
1.229,73
R$
1.750,01
Peso kg Custo Mat. Prima
COMPARANDO VIGAS :AÇO X FIBRA DE CARBONO
Força Atuante F = 420 kg
Altura da viga h = 250mm
Espessura das Vigas mm: Fibra de carbono : (7,5 e 5,8) Aço 7,5
Comprimento total: 6500 mm
Projeto: Prof. Francisco Xavier de Carvalho (IBCOM)
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Poliacrilonitrila oxidada (PAN-OX)
• Muito utilizadas em componentes para proteção térmica (baixa condutividade térmica).
• Maior proteção térmica em relação às fibras têxteis convencionais contra o calor intenso.
• Mantém uma barreira contra uma chama de 900°C
por mais de 5 minutos, produzindo uma liberação mínima de vapores tóxicos.
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Poliacrilonitrila oxidada (PAN-OX) Tabela 1. Usos das fibras de poliacrilonitrila oxidada
(PANOX).
Setor Usos
Vestuário Siderúrgico, químico,
petrolífero, policial, esportivo
(velocidade), combate ao fogo
Transporte Aeronáutico, náutico,
ferroviário e automotivo
(assentos e interiores)
Industrial Isolamento de cabos, Mantas
contra fogo, máscaras de solda
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PROCESSOS DE ALTA PRODUTIVIDADE
LFTP – termoplástico c/ fibras contínuas
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Painel de carro de passeio
Função decorativa
Agrega valor US$
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Materiais Esportivos e Aeronáuticos
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Próteses humanas
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Próteses humanas
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Colunas de Base Redonda = sem problemas.
Colunas de Base Quadrada (cantos vivos) =
• Pode cortar a fibra de carbono.
• Solução = raio de 3cm.
Reforço de Colunas
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Fibras de Carbono
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Colunas
Resistência à
Compressão MPa
Concreto Simples
30,93
Com Fibra de Carbono
95,02
Aumento de Resistência à Compressão
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Poder-se-iam usar chapas de ferro, mas aumentaria o
peso!
O sistema custa mais caro que chapas de ferro?
Não! Chapas de Ferro x Fibra de Carbono têm
praticamente o mesmo custo.
Por que reforçar as vigas?
•Readequação de uso de construções pré-existentes.
•Para criar aberturas em lajes p/ passar escadas,
tubulações, etc...
Reforço de Vigas
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Fibras de Carbono
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Fibras de Carbono
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Estas são as principais aplicações da
FIBRA DE CARBONO no uso comercial.
Com a introdução dos novíssimos
pre-pregs termoplásticos as
aplicações se multiplicam.
Diariamente são desenvolvidas novas
aplicações.
Vamos usar a nossa criatividade!
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Um agradecimento especial ao
querido mestre prof.
Francisco Xavier de Carvalho do IBCOM.
Muito Obrigado, meu amigo!