Por que os tubos de fibra de carbono são tão leves? Entenda o motivo de sua baixa densidade

Por que os tubos de fibra de carbono são tão leves?

Os tubos de fibra de carbono são amplamente utilizados em estruturas aeroespaciais, estruturas de UAV, braços robóticos, varas de pesca, suportes de câmeras, equipamentos médicos, máquinas de automação, equipamentos esportivos e outras aplicações onde o peso estrutural é importante. Sua popularidade vem de uma combinação de baixa densidade, alta rigidez, alta resistência à tração, resistência à corrosão e capacidade de adaptar a orientação das fibras à direção das cargas aplicadas.

Mas por que os tubos de fibra de carbono são tão leves? A resposta não é simplesmente que a fibra de carbono é “mais leve que o metal”. O comportamento leve de um tubo de fibra de carbono resulta da interação entre densidade do material, geometria tubular, orientação da fibra, fração volumétrica da fibra, conteúdo de resina e tecnologia de fabricação.

Uma fibra de carbono{0}}representativa de alta resistência, como a Toray T700S, tem uma densidade de fibra relatada de 1,80 g/cm³, resistência à tração de 4.900 MPa, módulo de tração de 230 GPa e diâmetro de filamento de aproximadamente 7 μm. A Toray também relata propriedades normalizadas do compósito T700S/epóxi em 60% do volume da fibra, incluindo resistência à tração de 2,860 MPa e módulo de tração de 134 GPa.

Esses números ajudam a explicar por que os tubos de fibra de carbono podem atingir alta eficiência estrutural sem exigir a massa associada aos metais tradicionais.

Contudo, há uma distinção importante: a fibra de carbono é um reforço, enquanto um tubo de fibra de carbono é normalmente uma estrutura composta. O tubo acabado contém fibras de carbono, resina polimérica e, às vezes, materiais adicionais de superfície ou núcleo. Consequentemente, sua densidade final e desempenho mecânico dependem do projeto completo de fabricação.

As seções a seguir examinam a ciência por trás dos tubos leves de fibra de carbono, explicam a terminologia de engenharia relevante, comparam tubos de fibra de carbono com metais convencionais e discutem problemas e soluções práticas de fabricação.

Qual é a densidade dos tubos de fibra de carbono?

A densidade é o ponto de partida para a compreensão dos materiais leves. Na engenharia, a densidade é definida como massa por unidade de volume: ρ=m / V onde ρ é densidade, m é massa e V é volume. Um material com menor densidade contém menos massa no mesmo volume. A fibra de carbono é particularmente atraente porque as fibras comerciais normalmente têm densidades em torno de 1,75–1,90 g/cm³, dependendo do tipo e da estrutura. O T700S da Toray fornece uma referência industrial útil. Sua densidade de fibra publicada é de 1,80 g/cm³, enquanto sua resistência à tração é de 4.900 MPa e módulo de tração é de 230 GPa. Os dados de fibra de carbono-PAN publicados pela Hexcel também demonstram que as fibras de carbono-de alto desempenho geralmente permanecem próximas a essa faixa de densidade. Por exemplo, seus dados técnicos listam AS4 em torno de 1,79 g/cm³, IM7 em torno de 1,80 g/cm³ e HM63 em torno de 1,76 g/cm³.

Para efeito de comparação, os materiais estruturais comuns têm densidades consideravelmente diferentes.

Para um tubo de fibra de carbono acabado, os engenheiros não devem simplesmente copiar a densidade da fibra de uma folha de dados de fibra de carbono. O tubo também contém resina.

A densidade final do tubo depende, portanto:

• Grau de fibra de carbono
• Densidade da resina
• Fração de volume de fibra
• Conteúdo vazio
• Orientação da fibra
• Espessura da parede do tubo
• Processo de fabricação
• Revestimentos de superfície
• Inserções ou materiais adicionais

Esta distinção é especialmente importante quando se compara tubos de fibra de carbono de baixa densidade com tubos de alumínio ou aço. A comparação correta deve ser entre componentes acabados com requisitos estruturais equivalentes-e não apenas entre fibras brutas e metal.

Por que o formato tubular torna os tubos de fibra de carbono ainda mais eficientes-em termos de peso?

A segunda razão pela qual os tubos de fibra de carbono são leves é a sua geometria. Um tubo não precisa conter material sólido em toda a sua seção-transversal. Em vez disso, grande parte do seu material estrutural é posicionado em torno do perímetro externo, criando um segundo momento de área elevado, também chamado de momento de inércia da área. Esta é uma propriedade geométrica que descreve a eficácia com que uma seção-transversal distribui o material em relação a um eixo de flexão. Para flexão, mover o material para mais longe do eixo neutro pode aumentar significativamente a rigidez de flexão sem aumentar proporcionalmente a massa.

Isso explica por que os tubos são amplamente utilizados em estruturas como:

• Armas de UAV
• Quadros de bicicleta
• Links robóticos
• Barras de câmera
• Postes telescópicos
• Varas de pesca
• Membros estruturais aeroespaciais
• Eixos de transmissão Rolos industriais

Como a orientação da fibra torna os tubos de fibra de carbono fortes sem torná-los pesados?

A terceira razão principal é a orientação da fibra. A fibra de carbono é altamente anisotrópica. Isto significa que suas propriedades mecânicas variam de acordo com a direção. O T700S da Toray ilustra a diferença entre o nível de fibra-e o comportamento composto transversal. A fibra tem uma resistência à tração de 4.900 MPa e um módulo de 230 GPa, enquanto o compósito epóxi de volume normalizado de 60%-fibra-tem uma resistência à tração relatada de 0 grau de 2,860 MPa e módulo de tração de 134 GPa. A razão para este desempenho direcional é a orientação das fibras de carbono. Um tubo submetido principalmente à tensão axial beneficia-se de fibras orientadas próximas de 0 grau, paralelas ao eixo do tubo. Um tubo exposto à torção requer um reforço significativo de ±45 graus, porque essas fibras suportam com eficiência as tensões de cisalhamento. Um vaso de pressão pode exigir reforço-orientado por arco, porque a tensão circunferencial se torna importante.

Um prático tubo de fibra de carbono pode, portanto, usar múltiplas orientações:

• 0 grau: rigidez axial e resistência à tração
• ±45 graus: desempenho de torção e cisalhamento
• 90 graus: estabilidade transversal e reforço do aro
• Layups híbridos: equilibre vários casos de carga

Esta é uma grande diferença em relação aos metais isotrópicos convencionais. Um tubo de aço geralmente possui propriedades relativamente semelhantes em diferentes direções. Um tubo de fibra de carbono pode ser projetado de modo que o reforço seja concentrado onde as cargas realmente ocorrem.

Como a relação entre resistência-e{1}}peso dos tubos de fibra de carbono se compara à do alumínio e do aço?

A relação resistência-por{1}}peso é um dos conceitos mais importantes na engenharia estrutural leve. O termo técnico é resistência específica, que é comumente expressa como resistência à tração dividida pela densidade. Um parâmetro semelhante, a rigidez específica, compara o módulo de Young com a densidade. Usando a fibra T700S da Toray como exemplo: Resistência à tração=4,900 MPa Densidade=1.80 g/cm³ Módulo de tração=230 GPa Essas propriedades criam uma resistência específica de-nível de fibra muito alta e rigidez específica. Mas os engenheiros devem ter cuidado ao fazer comparações diretas. Um tubo de fibra de carbono é um compósito laminado, enquanto um tubo de alumínio ou aço é geralmente uma estrutura metálica isotrópica. O desempenho final depende da espessura da parede, diâmetro, processo de fabricação, juntas, flambagem local, resistência ao impacto e direção do carregamento.

A pesquisa do DOE identifica os compósitos de fibra de carbono como um dos materiais leves avançados capazes de redução substancial de massa. O seu programa de materiais de transporte estima que os compósitos de fibra de carbono poderiam reduzir o peso de alguns componentes em aproximadamente 50-70%, ao mesmo tempo que aponta o custo, a união, a modelação e a reciclagem como barreiras importantes. O DOE também afirma que uma redução de 10% no peso do veículo pode resultar em uma melhoria de aproximadamente 6 a 8% na economia de combustível, embora os resultados reais-no nível do sistema dependam do projeto do veículo e das condições operacionais.

Isso demonstra por que os tubos leves de fibra de carbono são valiosos além do próprio tubo. Reduzir a massa de um braço robótico em movimento, da lança do UAV, do eixo de transmissão ou da estrutura aeroespacial pode reduzir as cargas impostas a outros componentes.

Por exemplo, um link robótico mais leve pode reduzir os requisitos do atuador. Uma lança de UAV mais leve pode reduzir a massa estrutural que deve ser elevada continuamente. Um eixo giratório mais leve pode reduzir a inércia rotacional. Portanto, o benefício real dos tubos de fibra de carbono geralmente é a redução de massa no nível do sistema, em vez de simplesmente tornar um componente mais leve.

Por que os tubos de fibra de carbono podem ser leves sem perder a rigidez?

A redução do peso muitas vezes cria uma preocupação: se um tubo ficar mais fino, ele ficará muito flexível? A resposta depende se o projeto é controlado pela resistência ou pela rigidez. A resistência diz respeito à capacidade do componente suportar a carga aplicada sem falhar. A rigidez diz respeito ao quanto o componente se deforma sob essa carga.

Para muitos tubos de fibra de carbono, a rigidez, e não a resistência à tração final, determina a espessura de parede necessária.

Isto é particularmente importante para:

• Braços robóticos
• Barras de UAV
• Tubos de suporte de câmera
• Componentes de máquinas de precisão
• Estruturas telescópicas
• Suportes de antena
• Equipamento óptico
• Equipamento de automação

Um componente pode ter resistência à tração suficiente, mas ainda assim desviar excessivamente. Por exemplo, num braço robótico, a deflexão excessiva pode reduzir a precisão do posicionamento, mesmo que o tubo não se aproxime da sua carga de falha. O alto módulo da fibra de carbono pode, portanto, ser extremamente valioso. Toray relata um módulo de fibra T700S de 230 GPa e módulo de tração composto normalizado de 134 GPa a 60% do volume da fibra. Anotação técnica - Módulo de Young: O módulo de Young mede a rigidez elástica. Um módulo mais alto geralmente significa menos deformação elástica sob uma determinada tensão dentro da faixa elástica do material. No entanto, a rigidez do tubo não é determinada apenas pelo módulo.

Também depende de:

• Diâmetro do tubo
• Espessura da parede
• Geometria-de seção transversal
• Orientação da fibra
• Condições de suporte
• Comprimento do tubo
• Direção de carga

Consequentemente, aumentar o diâmetro externo pode, às vezes, melhorar a rigidez à flexão de forma mais eficiente do que simplesmente adicionar espessura de parede. Esse é um dos motivos pelos quais os tubos de fibra de carbono de parede fina-de grande-diâmetro e{2}}parede fina são cada vez mais atraentes para aplicações estruturais leves. O projetista pode explorar tanto a alta rigidez específica do material quanto a eficiência geométrica da seção transversal-tubular.

Como são fabricados os tubos leves de fibra de carbono?

O processo de fabricação afeta fortemente o peso final e as propriedades mecânicas dos tubos de fibra de carbono. Várias tecnologias de fabricação são amplamente utilizadas.

1. Pultrusão A pultrusão puxa continuamente as fibras de carbono através de um sistema de resina e matriz de formação aquecida.

É especialmente adequado para:

• Hastes retas
• Tubos
• Perfis
• Vigas estruturais
• Produção contínua

A pultrusão pode produzir seções transversais-altamente consistentes e forte reforço longitudinal.

2. Enrolamento de filamento O enrolamento de filamento coloca fibras contínuas-impregnadas de resina ao redor de um mandril em ângulos controlados.

É particularmente adequado para:

• Tubos
• Vasos de pressão
• Eixos de transmissão
• Estruturas cilíndricas

O ângulo de enrolamento pode ser otimizado de acordo com a carga axial, circular e de torção.

3. Embalagem de rolo A embalagem de rolo usa tecido pré-impregnado ou de fibra de carbono enrolado em um mandril.

É comumente usado para:

• Tubos de fibra de carbono
• Tubos telescópicos
• Equipamento esportivo
• Postes de câmera
• Tubos estruturais industriais

Conclusão

Os tubos de fibra de carbono são leves porque a fibra de carbono tem baixa densidade, proporcionando excelente resistência e rigidez. A sua estrutura oca reduz ainda mais o material desnecessário sem sacrificar o desempenho estrutural. Ao otimizar a orientação da fibra e o design do tubo, os fabricantes podem alcançar uma alta relação resistência-por{3}}peso. Essas vantagens tornam os tubos de fibra de carbono ideais para drones, robótica, aeroespacial, equipamentos esportivos, máquinas de automação e outras aplicações estruturais leves.

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Referências

Toray Composite Materials America - Folha de dados de fibra de carbono TORAYCA™ T700S

Departamento de Energia dos EUA - Materiais leves para carros e caminhões

Fornece dados técnicos comparativos para T700S, T700G, T800H e outros tipos de fibra de carbono.