FabricaçÃo rápida de compósitos de sílica com fibra de carbono



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Comparação de Diferentes Precursores de Carbono Aplicados na Fabricação de Compósito Carbono/Carbono Pelo Processo de Densificação Rápida.

Dos Santos, J.J.S. (1); Regiani, I. (1)

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Pç. Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias - São José dos Campos – SP; CEP:12228-900, inacior@ita.br

RESUMO
Atualmente os compósitos de Carbono/Carbono aplicados na indústria de defesa nacional são importados e fabricados através de técnicas muito demoradas, tais como, a impregnação e a pirólise.

O presente trabalho tem como objetivo apresentar as principais características observadas na fabricação de materiais compósitos de carbono reforçados com fibra de carbono, utilizando-se do processo de infiltração química na fase líquida conhecida como CLVI ou de densificação rápida.Trata-se de um processo de menor custo e tempo, o que torna este processo uma alternativa viável para sua implementação em escala industrial.

Como resultado, é apresentado de forma detalhada as principais características a do compósito de Carbono/Carbono densificado utilizando hexano e etanol como precursores. Mediu-se a densidade do compósito formado e observou-se a microestrutura pelos diferentes precursores utilizados através do MEV.
Palavras-chave: CLVI, Densificação, Compósito, Carbono.
INTRODUÇÃO
A aplicação dos materiais compósitos de carbono-carbono na indústria aeroespacial, tais como tubeiras de foguetes, componentes de turbinas e freios de aeronaves, necessitam de características específicas e conservação de suas propriedades em altas temperaturas, é objeto constante de estudo dos novos processos de fabricação (1).

Foi assim que historicamente, na década de 1970, surgiram os métodos de infiltração química por vapor (CVI – Chemical Vaporized Infiltration), que possuem melhor controle do processo e fabricam peças de melhor qualidade, tendo como inconveniente apenas os longos períodos de tempo de reator e o desperdício de reagentes (2). Em 1984 surgiu um novo método, e que até então não foi profundamente estudado para fabricar peças de carbono-carbono, chamado CLVI (Chemical Liquid Vaporized Infiltration) (3,4).

Este novo processo de densificação de preformas de carbono consiste em imergir a preforma transpassada por uma fibra de carbono (ou grafite) diretamente no liquido precursor de carbono (5). Em seguida é fornecida corrente elétrica a fibra de carbono a aquece e gera um gradiente térmico do interior para o exterior da peça por efeito Joule. Durante o processo o liquido precursor é aquecido até sua vaporização e temperatura de pirólise, fazendo uma reação química semelhante à ocorrida nos processos de CVI. Dessa forma ocorre a deposição do carbono no interior da estrutura da preforma, fazendo com que a densificação ocorra do interior para o exterior evitando o fechamento dos poros exteriores. Situação que ocorre frequentemente no processo CVI isotérmico, e obriga a parar o processo e usinar a preforma varias vezes para abrir os poros, e assim conseguir a densificação desejada. Já o processo CLVI apresenta gradiente térmico associado a um fluxo constante de material o que impede o fechamento dos poros externos (5,6,7).

Esse trabalho tem como objetivo apresentar os principais resultados observados durante fabricação materiais compósitos de carbono/carbono, utilizando-se do processo de CLVI. O experimento utilizando-se como precursores de carbono o hexano e o etanol. Como resultado final, apresentamos as principais características dos corpos de prova (cdp) densificado, onde observamos principalmente, a densidade do compósito formado, relacionando com a microestrutura originada pelas diferentes voltagens aplicadas.


MATERIAIS E MÉTODOS
O procedimento experimental para a fabricação de peças pelo processo CLVI, consiste em utilizar um reator com capacidade de 3000 cm3 de reagente, construído em aço inox com eletrodos de cobre isolados com teflon. A preforma a ser densificada foi colocada na extremidade dos eletrodos de cobre imersa no líquido precursor dentro do reator. A fonte de corrente elétrica era capaz de fornecer uma corrente máxima de 560A a uma tensão variando entre 0V a 28V. As demais conexões do reator eram à saída de gases para o condensador de gases e uma entrada de nitrogênio, para fazer uma atmosfera inerte no reator. Os cdps tinham dimensões de 7x7x35mm feitas de feltro de carbono e transpassados por fibras de carbono T300 da Toray. Os precursores para a matriz de carbono foram o hexano e o etanol. O processo de CLVI e de simples execução, bastando colocar o corpo a ser densificado imerso no líquido precursor, fechar o reator, injetar gás inerte, selecionar a voltagem inicial suficiente para garantir a temperatura desejada e ligar o reator. Todos os cdps foram deixados densificar até o limite de potência do alimentador, pois a potência consumida é crescente durante o processo.

Os corpos de prova foram pesados antes e depois do processo, medida a densidade pelo método de Arquimedes e observadas às microestruturas em microscópios óptico (MOpt) e eletrônico de varredura (MEV).



RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os ensaios foram realizados com uma voltagem constante de 18V, o que resultou numa potência inicial de 360W. Porém o processo terminou com uma potência de 7000 W devido ao aumento exponencial da corrente durante o processo.

O Gráfico da figura 1 apresenta os resultados da massa específica aparente e real e da porosidade contra corrente para o precursor hexano. Verificou-se que a massa específica real não se relaciona com a porosidade, podemos concluir que a redução da porosidade se deve ao espaçamento entre as fibras da preforma.

A figura 2 apresenta o ganho de massa relativo para os dois precursores, pode-se notar que o etanol apresenta ganho de massa menor que o hexano em amperagem de valor mais baixo, nas demais amperagens não apresenta diferença significante.


Fig. 1 – Gráfico comparativo das densidades com a porosidade.


Fig. 2 - Ganho de massa relativo comparativo entre o hexano e o etanol.


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