O fabrico da fibra de carbono raramente começa com carbono: na maioria dos casos parte-se de um fio de polímero acrílico, o poliacrilonitrilo (PAN), que é aquecido primeiro ao ar a cerca de 180–300 °C e depois a mais de 1000 °C sem oxigénio. O fio perde quase tudo o que não é carbono e torna-se um filamento de carbono. Estes filamentos são depois agrupados em mechas, tecidos, impregnados com resina e curados num molde. Eis cada etapa, explicada de forma simples.
O padrão cruzado que se vê numa capa em fibra de carbono tecida é o resultado visível de toda esta cadeia: milhares de filamentos agrupados em mechas, entrelaçados e depois fixados numa resina transparente.
Em resumo
- A maioria das fibras de carbono nasce de um fio de PAN, estabilizado ao ar e depois carbonizado sob gás inerte.
- A temperatura de carbonização define o tipo de fibra: alta resistência por volta de 1200–1400 °C, alto módulo até 3000 °C.
- Uma peça rígida só surge com a resina: tecido ou pré-impregnado, molde e depois cura sob vácuo ou em autoclave.
De que se parte para fabricar fibra de carbono?
O carbono puro não se fia: não funde à pressão ambiente e não se dissolve. Para obter um filamento de carbono, fabrica-se primeiro um filamento de outro material, chamado precursor, e depois retira-se pelo calor tudo o que não é carbono, sem perder a forma do fio.
A literatura técnica descreve três precursores: o poliacrilonitrilo (PAN), as fibras de viscose (raiom) e o breu, um resíduo do petróleo ou do carvão. Este dossier segue o PAN, a via descrita para as fibras de alta resistência e alto módulo, que oferece um bom rendimento em carbono: segundo o curso do Indian Institute of Technology publicado na NPTEL, os precursores PAN dão um rendimento em carbono de 50 a 55 %. Por outras palavras, cerca de metade da massa do fio inicial sai sob a forma de gás durante o fabrico.
O PAN é um polímero próximo do dos têxteis acrílicos. É fiado em milhares de filamentos contínuos, esticados para alinhar as suas longas moléculas no eixo do fio. Este alinhamento é importante: é ele que dará mais tarde à fibra de carbono a sua rigidez no sentido do comprimento.
Como é que um fio acrílico se torna carbono?
A transformação é contínua: as mechas passam por uma série de fornos a temperaturas crescentes. Distinguem-se três etapas.
1. A estabilização (ou oxidação)
O fio de PAN é primeiro aquecido ao ar, a cerca de 180–300 °C. As moléculas reorganizam-se e fixam oxigénio: o fio fica preto e, sobretudo, infusível. Sem esta etapa, fundiria ou arderia nos fornos seguintes. A reação liberta calor, pelo que a subida de temperatura deve ser lenta para evitar um descontrolo.
2. A carbonização
O fio estabilizado entra depois em fornos cheios de gás inerte, sem oxigénio: por isso não pode arder. O mesmo curso da NPTEL descreve duas zonas: até 600 °C, um aquecimento muito suave (menos de 5 °C por minuto), e depois de 600 a 1300 °C, onde o aquecimento pode ser mais rápido. Hidrogénio, azoto e oxigénio escapam sob a forma de gás, e os átomos de carbono restantes organizam-se em camadas semelhantes às da grafite.
3. A grafitização (para algumas fibras)
Para obter fibras ainda mais rígidas, leva-se a temperatura até cerca de 3000 °C, sob tensão e sempre sob gás inerte. Acima de 2000 °C, o azoto deixa de ser usado como gás protetor, porque reagiria com o carbono: usam-se outros gases inertes.
A temperatura final decide o tipo de fibra obtido:
| Tipo de fibra | Temperatura de tratamento | Teor de carbono |
|---|---|---|
| Alta resistência | 1200 a 1400 °C | 92 a 96 % |
| Alto módulo | 1800 a 2500 °C | cerca de 99 % |
| Muito alto módulo | 2800 a 3000 °C | cerca de 99 % |
Fonte: NPTEL, «Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors». Quanto mais rígida a fibra («alto módulo»), mais energia exige, o que explica em parte a diferença de custo entre as gamas.
Porque é que a fibra é tratada e ensimada?
À saída dos fornos, a fibra de carbono é muito lisa e quimicamente pouco reativa. No entanto, só tem interesse quando ligada a uma resina. Duas operações preparam essa ligação.
O tratamento de superfície. O fabricante japonês Toray explica no seu guia de seleção de fibras de carbono que este tratamento «adiciona grupos funcionais oxigenados e ataca ligeiramente a superfície da fibra». Assim, a resina adere melhor ao filamento.
A ensimagem. Aplica-se depois uma camada protetora muito fina, a ensimagem (sizing em inglês), escolhida para ser compatível com a resina que será utilizada: epóxi, poliéster, viniléster… A ensimagem protege também os filamentos durante a tecelagem. A Toray precisa que uma ensimagem ligeira torna a mecha mais fácil de espalhar, enquanto uma ensimagem mais abundante protege melhor a fibra em manuseamentos exigentes.
Por fim, a fibra é enrolada em bobinas. Nesta fase é ainda apenas um fio preto e flexível, que se pode dobrar: a rigidez virá da resina.
O que significam 3K, 12K e «sarja»?
Dos filamentos às mechas
Uma mecha de carbono (também chamada «tow») reúne milhares de filamentos paralelos. O número seguido de K indica a sua quantidade em milhares: uma mecha 3K tem 3000 filamentos, uma mecha 12K tem 12 000. O guia da Toray cita, por exemplo, a sua fibra T300 em 1000, 3000 e 6000 filamentos por mecha, e classifica as mechas de 1000 a 6000 filamentos como «mechas pequenas»; as mechas padrão produzidas nos Estados Unidos têm 12 000, 24 000 ou 36 000 filamentos.
As mechas pequenas dão um tecido fino e regular, aquele que se vê nas peças à vista. As mechas grandes prestam-se mais a peças industriais, onde o padrão raramente fica visível.
Das mechas ao tecido
As mechas são depois tecidas em teares, como um têxtil. O documento «Prepreg Technology» da Hexcel, fabricante de compósitos para a aeronáutica, descreve os principais tipos de tecido:
- Tafetá (plain): um por cima, um por baixo, em xadrez. Tecido estável, mas que se adapta mal às formas curvas.
- Sarja (twill, em 2/1, 3/1 ou 2/2): cada mecha passa por cima de duas ou três outras, desenhando as linhas oblíquas típicas do carbono. Um compromisso médio entre estabilidade e capacidade de seguir as curvas.
- Cetim: muito poucos entrecruzamentos, tecido maleável que se adapta bem a formas complexas.
Existem também camadas unidirecionais, em que todas as fibras seguem o mesmo sentido, usadas quando uma peça trabalha sobretudo numa direção. O padrão de carbono «clássico», aquele que muda de aspeto com a luz, corresponde na maioria das vezes à sarja. É, aliás, um dos indícios descritos no nosso guia para distinguir a verdadeira fibra de carbono de uma imitação.
Como é que o tecido se torna uma peça rígida?
Um tecido de carbono, por si só, é flexível. Para obter uma peça, associa-se a uma resina (geralmente epóxi) que, depois de endurecida, mantém as fibras no lugar e lhes transmite os esforços. É a este par fibra mais resina que se chama compósito.
O pré-impregnado
Na indústria, o tecido é muitas vezes fornecido já impregnado com uma quantidade precisa de resina: é o pré-impregnado (prepreg). A Hexcel indica que se conserva no congelador, a −18 °C, em geral durante 12 meses, e que um rolo pode precisar de até 48 horas para voltar à temperatura ambiente antes de ser aberto. Segundo o mesmo documento, os compósitos de carbono pré-impregnado atingem cerca de 60 % de fibra em volume.
Laminagem, saco de vácuo e cura
As camadas de pré-impregnado são cortadas e sobrepostas num molde, alternando por vezes a orientação das fibras: é a laminagem. O conjunto é coberto com películas técnicas e um saco, e depois aspira-se o ar. O vácuo comprime as camadas entre si com uma pressão de, no máximo, 1 bar, e a peça é curada no forno. Para as peças mais exigentes, o forno é substituído por um autoclave, um recipiente que acrescenta pressão: o esquema da Hexcel mostra pressões de 1 a 10 bar.
As resinas epóxi de pré-impregnado curam tipicamente a 120 °C ou a 180 °C. A Hexcel associa à primeira uma temperatura de serviço de cerca de 100 °C, e à segunda de 130 a 155 °C. Após arrefecimento e desmoldagem, a peça é recortada, lixada se necessário e eventualmente envernizada.
O conselho Fibernium: num acessório, o que conta para si não é o nome do processo, mas o resultado visível. Um verdadeiro tecido de carbono mostra profundidade e reflexos que se mexem quando se inclina o objeto; um padrão impresso fica plano. Observe a peça sob uma luz rasante antes de decidir.
E o carbono forjado, é fabricado da mesma forma?
A fibra é a mesma: sai dos mesmos fornos. O que muda é a moldagem. Em vez de um tecido com mechas bem alinhadas, o carbono forjado usa fibras curtas ou fragmentos dispostos ao acaso, misturados com a resina e prensados num molde. O padrão marmoreado nasce desta disposição aleatória, pelo que não há duas peças iguais. Detalhamos as diferenças de aspeto e de utilização no nosso artigo carbono forjado ou fibra de carbono tecida.
Para a história do carbono, dos circuitos aos objetos do dia a dia, leia do circuito para o seu bolso.
Este dossier descreve o processo geral da indústria. Nas nossas fichas descrevemos o material de cada produto: FIBRE é uma verdadeira placa de fibra de carbono tecida, FORGE e BRUTE são em verdadeiro carbono forjado, MAILLE associa carbono e aramida. Os acabamentos GIVRE e HYBRIDE, da gama «Style carbone», são em fibra de vidro e não em carbono. Para encontrar estes materiais:
- As capas em fibra de carbono tecida
- As capas em carbono forjado
- As capas em carbono colorido
- As molas para notas em carbono
Perguntas frequentes
A fibra de carbono é carbono puro?
Quase. Segundo o curso da NPTEL, as fibras de alta resistência contêm 92 a 96 % de carbono, e as de alto módulo cerca de 99 %. Já uma peça acabada é um compósito: contém também resina.
Porque é que a fibra de carbono é cara de produzir?
O processo encadeia vários fornos a alta temperatura, sob gás inerte, com uma estabilização lenta. Cerca de metade da massa do precursor PAN perde-se pelo caminho. Depois ainda é preciso tecer, impregnar, moldar e curar.
O que significa 3K num tecido de carbono?
Que cada mecha do tecido reúne 3000 filamentos. Uma mecha 12K contém 12 000. O número informa sobre a finura do tecido, não sobre a qualidade da fibra.
O que é um autoclave?
Um recipiente aquecido e pressurizado no qual se curam as peças compósitas colocadas sob vácuo. A pressão adicional comprime melhor as camadas e reduz as bolhas, o que serve sobretudo para peças espessas ou muito carregadas de fibras.
Este é o processo das capas Fibernium?
Este dossier descreve o fabrico geral da fibra de carbono e dos compósitos. As fichas de produto indicam o material de cada capa; não detalham o processo industrial, pelo que não afirmamos nada sobre isso aqui.