A fibra de carbono à base de poliacrilonitrila (PAN) é um material de alto desempenho amplamente utilizado nas áreas aeroespacial, construção, esportes, automotiva e médica. Este artigo analisa a história do desenvolvimento e o status atual da fibra de carbono baseada em PAN, nacional e internacionalmente, sua preparação, estrutura, propriedades e aplicações. Também discute padrões e métodos de teste relevantes e oferece uma perspectiva futura.

Introdução à fibra de carbono baseada em PAN

A fibra de carbono é um material avançado conhecido por suas propriedades mecânicas superiores. Combina as características inerentes ao carbono com a flexibilidade e processabilidade das fibras têxteis, tornando-se uma fibra de reforço essencial. Com uma gravidade específica inferior a um quarto do aço e uma resistência à tração geralmente superior a 3.500 MPa, os compósitos de fibra de carbono oferecem resistência 7 a 9 vezes maior que a do aço e um módulo de elasticidade que varia de 23.000 MPa a 43.000 MPa. Essas propriedades tornam a fibra de carbono um material promissor em aplicações de engenharia.

As fibras de carbono à base de PAN, derivadas de poliacrilonitrila, asfalto ou viscose, passam por processos como pré-oxidação, carbonização e grafitização, resultando em fibras com mais de 90% de teor de carbono. Essas fibras apresentam alta resistência, alto módulo, baixa densidade, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, resistência ao atrito, condutividade e baixa expansão térmica, entre outras propriedades. A fibra de carbono baseada em PAN é a mais utilizada, respondendo por mais de 90% da produção devido ao seu processo de fabricação simples e excelente desempenho abrangente.

1. Status de desenvolvimento da fibra de carbono baseada em PAN

1.1 Desenvolvimento Internacional

O desenvolvimento da fibra de carbono baseada em PAN começou em 1959, quando o japonês Akio Shindo patenteou um processo para produzir fibras de carbono de alto desempenho a partir de poliacrilonitrila. Hoje, a produção de fibra de carbono à base de PAN é dominada por grandes fibras de reboque dos EUA e pequenas fibras de reboque do Japão, representando cerca de 80% da oferta global. Grandes produtores como Toray, Toho e Mitsubishi no Japão lideram o mercado, sendo a Toray o maior fabricante mundial de fibra de carbono baseada em PAN.

1.2 Desenvolvimento Interno

A China começou a pesquisar a fibra de carbono na década de 1960, alcançando um progresso lento, mas constante. Apesar de desenvolver produtos próximos ao nível do T-300 da Toray, a capacidade de produção doméstica permanece limitada. Nos últimos anos, empresas como a Anhui Huawan Carbon Fiber iniciaram a produção industrial, mas a maior parte da procura de fibra de carbono da China é satisfeita através de importações, restringindo significativamente as indústrias relacionadas.

2. Preparação, Estrutura e Desempenho de Fibra de Carbono Baseada em PAN

2.1 Processo de Preparação

As fibras de carbono à base de PAN são feitas de fibras de poliacrilonitrila, sejam elas homopolímero ou copolímero, por meio de processos que envolvem polimerização, fiação, pré-oxidação, carbonização e grafitização. A produção envolve a conversão da resina de poliacrilonitrila em fibras, que são então tratadas para melhorar seu desempenho e estabilidade.

2.2 Estrutura

As fibras de carbono apresentam"desordenado"estrutura dos microcristais de grafite empilhados ao longo do eixo da fibra, influenciando seu desempenho. O espaçamento entre as camadas e a presença de vazios afetam as propriedades da fibra.

2.3 Características de Desempenho

As fibras de carbono possuem propriedades únicas, como alta resistência à tração, alto módulo, baixa densidade, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão. Eles também apresentam excelente resistência à fadiga, baixa expansão térmica, boa condutividade e biocompatibilidade.

3. Aplicações de fibra de carbono baseada em PAN

3.1 Aeroespacial

Devido à sua alta relação resistência-peso e rigidez, os compósitos de fibra de carbono baseados em PAN são cruciais em aplicações aeroespaciais, incluindo mísseis, foguetes, satélites e aeronaves.

3.2 Equipamentos Esportivos e Médicos

Os compósitos de fibra de carbono são amplamente utilizados em equipamentos esportivos como tacos de golfe, raquetes de tênis e bicicletas, bem como em implantes e dispositivos médicos.

3.3 Indústria Geral

Na indústria automotiva, as fibras de carbono são utilizadas em estruturas de veículos, pistões e sistemas de freio. Eles também desempenham um papel na energia eólica, na eletrônica e na infraestrutura, aumentando a resistência e a durabilidade de vários componentes.

4. Padrões para fibra de carbono baseada em PAN

A China estabeleceu vários padrões para o desempenho da fibra de carbono e sua aplicação em compósitos, tais como:

• GB/T 3362-2005: Propriedades de tração de fios multifilamentares de fibra de carbono.

• GB 3362-1982: Método para testar o número de fibras em fios multifilamentares de fibra de carbono.

• GB 3364-1982: Métodos de teste de diâmetro e diâmetro equivalente.

• GB/T 3355-2005: Teste de teor de resina em plásticos reforçados com fibra de carbono.

Estas normas garantem a qualidade e a consistência dos produtos de fibra de carbono, facilitando a sua adoção e aplicação mais amplas.

5. Perspectivas Futuras

A indústria de fibra de carbono é crucial para aplicações de materiais modernos, na transição da era do aço para uma nova era de materiais compósitos. O papel da fibra de carbono em tecnologias avançadas e aplicações industriais continuará a crescer, impulsionado pela investigação e desenvolvimento contínuos. Para conseguir isto, a China deve concentrar-se na superação dos desafios técnicos e na melhoria dos processos de produção para reduzir a dependência das importações e melhorar as capacidades internas.