Tecidos de fibra de carbono: o que são e por que usá-los

Se você já se perguntou por que um pedaço de fibra de carbono pode parecer diferente de outro, você não está sozinho. A fibra de carbono vem em muitos tecidos diferentes, cada um servindo a um propósito diferente, e não é apenas decorativo.

As fibras de carbono são feitas de precursores como poliacrilonitrila (PAN) e rayon. As fibras precursoras são tratadas quimicamente, aquecidas e esticadas, depois carbonizadas para criar fibras de alta resistência. Essas fibras, ou filamentos, são então agrupadas para formar estopas, que são identificadas pelo número de filamentos de carbono que contêm. As classes de reboque comuns são 3k, 6k, 12k e 15k. "k" significa mil, então um reboque de 3k é feito de 3,000 filamentos de carbono. Um reboque padrão de 3k tem normalmente 00,125" de largura, portanto, contém muita fibra em um espaço pequeno. Um reboque de 6k tem 6,000 filamentos de carbono, um reboque de 12k tem 12,{{16 }} filamentos de carbono e assim por diante Muitas fibras de alta resistência agrupadas são o que torna a fibra de carbono um material tão resistente.

Fibra de carbono tecida
A fibra de carbono geralmente vem na forma de um tecido, o que facilita o trabalho e, dependendo da aplicação, pode fornecer resistência estrutural adicional. Como resultado, os tecidos de fibra de carbono vêm em muitas tramas diferentes. As mais comuns são sólida, sarja e fita de cetim, e veremos cada uma delas com mais detalhes.

ponto de tafetá
Os painéis de fibra de carbono de trama simples parecem simétricos, com uma pequena aparência de tabuleiro de damas. Nesta trama, as estopas são tecidas em um padrão acima/abaixo. O espaçamento curto entre as tramas confere à trama lisa um alto grau de estabilidade. A estabilidade do tecido é a capacidade de um tecido de manter seu ângulo de tecelagem e a orientação da fibra. Devido a esse alto nível de estabilidade, o ponto tafetá é menos adequado para arranjos com contornos complexos, e não será tão flexível quanto alguns outros tecidos. De um modo geral, o ponto tafetá é adequado para chapas planas, tubos e curvas bidimensionais.

Uma desvantagem desse padrão de tecelagem é o enrugamento grosseiro (o ângulo que as fibras fazem ao tecer, veja abaixo) na estopa devido à curta distância entre os entrelaçamentos. Crimpagens grosseiras criam concentrações de tensão que podem enfraquecer a peça ao longo do tempo.

Tecido de sarja
A sarja atua como uma ponte entre a trama simples e a trama de cetim que discutiremos a seguir. A sarja é flexível o suficiente para formar contornos complexos e é melhor para manter a estabilidade do tecido do que a trama de cetim, mas não tão boa quanto a trama simples. Se você seguir um reboque em sarja, ele passará por um certo número de reboques e depois pelo mesmo número de reboques. O padrão acima/abaixo cria uma aparência de ponta de flecha diagonal conhecida como "linha diagonal". A maior distância entre os fios entrelaçados significa menos frisos e menor concentração potencial de tensão em comparação com um ponto tafetá.

Sarja 2×2

Sarja 4×4
A Sarja 2×2 é provavelmente o tecido de fibra de carbono mais conhecido da indústria. É usado em muitas aplicações cosméticas e decorativas, mas também é altamente funcional, possui formabilidade moderada e estabilidade moderada. Como o nome do 2 × 2 indica, cada reboque passará por 2 reboques e depois por 2 reboques. Da mesma forma, uma sarja 4 × 4 passará por 4 reboques e depois 4 reboques. É um pouco mais moldável do que a sarja 2 × 2 porque a trama não é tão apertada, mas também é menos estável.

Arnês Trama de Cetim
O tecido de cetim foi desenvolvido há milhares de anos para criar tecidos de seda com caimento excelente, ao mesmo tempo em que parecem suaves e sem costuras. Para compósitos, essa capacidade de dobra significa que ele pode formar e envolver contornos complexos com facilidade. Devido à alta conformabilidade deste tecido, espera-se que ele tenha baixa estabilidade. As tramas comuns são quatro mechas (4HS), cinco mechas (5HS) e oito mechas (8HS). À medida que o número de tramas de cetim aumenta, a formabilidade aumenta enquanto a estabilidade do tecido diminui.

4h

5HS

8H

O número no nome Harness Satin indica o número total de reboques passados. Para 4HS será superior a 3 reboques e depois inferior a 1 reboque. Para 5HS, será superior a 4 reboques e, em seguida, inferior a 1 reboque e, para 8HS, será superior a 7 reboques e inferior a 1 reboque.

Reboque Espalhado vs. Reboque Padrão
Os materiais spread tow podem ser um bom compromisso entre o uso de materiais unidirecionais e materiais tecidos padrão. Quando as fibras são tecidas para cima e para baixo para formar um tecido, a resistência é reduzida devido a ondulações nas fibras. Conforme você aumenta o número de filamentos em um fio padrão, digamos de 3k para 6k, o fio fica maior (mais grosso) e o ângulo de crimpagem fica mais nítido. Uma maneira de evitar isso é espalhar os filamentos em fios mais largos, conhecidos como fios espalhados, o que traz vários benefícios.

Os fios espalhados fornecem um ângulo de crimpagem menor do que os fios trançados padrão e podem reduzir os defeitos cruzados aumentando a suavidade. Ângulos de crimpagem mais baixos resultarão em maior resistência. Os materiais spread tow também são mais fáceis de trabalhar do que os materiais unidirecionais e ainda têm uma boa prevenção de pull-up de fibra.

Reboque simples

Tecido de sarja espalhado
unidirecional
Como o nome sugere, uni significa um, e todas as fibras estão voltadas para a mesma direção. Isso fornece algumas vantagens de alta resistência para tecidos unidirecionais (UD). O tecido UD não é tecido e não possui fibras entrelaçadas onduladas que enfraqueceriam a estrutura. Em vez disso, existem fibras contínuas que adicionam resistência e rigidez. Outro benefício é a capacidade de personalizar a pilha com maior controle sobre as características de desempenho. Um quadro de bicicleta é um ótimo exemplo de como os tecidos UD podem ser usados ​​para ajustar o desempenho. O quadro precisa ser rígido na área do movimento central para transferir a força do piloto para as rodas, mas também precisa ser compatível e flexível para não sobrecarregar o piloto. Com os materiais UD, você pode escolher a orientação precisa das fibras para obter a resistência desejada.

Uma grande desvantagem do UD é sua capacidade de manobra. O UD se desfaz facilmente durante o layup porque não possui fibras entrelaçadas para mantê-lo unido. Se as fibras forem colocadas incorretamente, é quase impossível reorientá-las corretamente novamente. Peças usinadas feitas de tecidos UD também podem causar problemas. Se quaisquer fibras forem puxadas para cima onde o recurso foi cortado, essas fibras soltas serão puxadas para cima por toda a peça. Normalmente, se um material UD for selecionado para layup, uma camada de material trançado é usada para a primeira e a última camadas para melhorar a processabilidade e a durabilidade da peça. Isso é o que os quadros de drones amadores fazem até a produção de peças de foguetes.