Devido ao seu baixo peso, alta ductilidade e excelente resistência, os compósitos de matriz de alumínio (Al) e ligas de alumínio têm atraído crescente interesse nos campos automotivo, aeroespacial e de defesa nacional. 

Muitos estudos sobre alumínio reforçado com diferentes materiais foram realizados recentemente, reforços tais como fibras de carbono (CFs - carbon fibers), nanotubos de carbono, fibra de grafite, grafeno e assim por diante. O baixo custo e as propriedades mecânicas superiores das fibras de carbono são experimentalmente melhores do que as de outros reforços.

Além disso, a impressão 3D atrai enorme atenção devido à sua alta precisão, baixo custo e curto tempo de fabricação. Vários materiais podem ser impressos usando diferentes técnicas, como metais, cerâmicas, cimentos, polímeros e materiais biológicos, o que permite sua aplicação em campos variados.

No trabalho realizado pelos autores, foram produzidas quatro amostras com diferentes arranjos de fibras de carbono alinhados em camadas de alumínio usando uma impressora 3D baseada em SLA (Stereolithography Apparatus), que ocorre por fotopolimerização.

Os autores organizaram as fibras de maneira aleatória, paralela, circular e ortogonal. Após a impressão das amostras e da sinterização, analisaram as microestruturas, reação da interface e propriedades mecânicas dos compósitos CFs/Al (fibras de carbono/alumínio). 

Dos materiais usados na pesquisa, foram utilizados: resina fotossensitiva, pó de alumínio esférico (tamanho de partícula de 48 μm e 99,7% de pureza) e fibras de carbono com diâmetro médio de 7 μm e comprimento médio de 2 mm.

Um detalhe importante que os autores apontam na preparação das amostras é que para reduzir as cavidades gasosas nas estruturas e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais compósitos produzidos, a quantidade da resina fotossensível deve ser minimizada de modo que a amostra esteja completamente curada, ou seja, sem excesso de resina na peça.

O processo de impressão 3D foi da seguinte forma: a suspensão do compósito era depositada na mesa de impressão e o mecanismo de raspagem era movido horizontalmente e uma parte da suspensão fica aderida na superfície (onde se obtém a primeira camada), assim, dá-se início ao processo de cura e o mecanismo movia-se horizontalmente para dar início a outra camada. Após todo o processo, as peças foram sinterizadas - para remoção total da resina.

Figura 1: Diagrama esquemático dos processos de impressão 3D: a linha pontilhada amarela representa o arranjo paralelo e a seta preta representa o arranjo ortogonal. Fonte: (Liang et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

Figura 2: Imagem do microscópio eletrônico de varredura das fibras alinhadas (c) aleatoriamente e (d) paralelamente. Fonte: (Liang et al. 2022).

Os resultados dos testes mecânicos mostraram também que o arranjo paralelo teve o maior alongamento, que é cerca de 0,4 vezes maior que o arranjo aleatório. Além disso, o arranjo ortogonal teve a maior resistência ao impacto, que foi cerca de 0,8 vezes maior que o arranjo aleatório. 

Com isso, os autores demonstram que o arranjo específico de fibras pode melhorar anisotropicamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras e contribuir para as indústrias - principalmente as automotivas, aeroespaciais e de defesa nacional, que são de grande interesse mundial.

O Centro de Pesquisa de Energia Aplicada da Universidade de Kentucky (UK CAER) e o Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA (DOE e ORNL) estão se unindo em um projeto de US$ 10 milhões para transformar carvão em fibras e compósitos de carbono.

De acordo com o UK CAER, o projeto intitulado “C4WARD: Conversão de Carvão em Fibras e Compósitos de Carbono”, busca desenvolver a ciência necessária para criar processos com eficiência e custo benefício melhores em termos de energia, para a fabricação de fibras de carbono com propriedades ajustáveis. Está sendo estudado os desafios associados ao processamento do carvão, variedade da matéria-prima e escala de fabricação da fibra de carbono.

A universidade observa que, a pesquisa da transformação do carvão para ser usada como fibra de carbono mostra uma grande promessa para impactar positivamente a indústria de carvão dos Estados Unidos. Além disso, o mercado de fibras de carbono continua a crescer, impulsionado pelo aumento do uso em aplicações aeroespaciais e de defesa, bem como na redução do peso de automóveis. Existe também o crescimento de novas aplicações, como o isolamento térmico para edifícios e materiais para construção e infraestrutura. O mercado de fibras de carbono deve crescer a uma taxa de crescimento anual de 12% até 2024.

O Grupo de Tecnologia de Materiais da CAER liderará o pesquisa para converter uma variedade de matérias-primas de carvão em fibras e compostos de carbono. A CAER produzirá quantidades em escala de laboratório de fibra de carbono para estudar relações estrutura-propriedade entre o material de carvão e a fibra de carbono.

A ORNL usará sua experiência em química e computação de alto desempenho para correlacionar a estrutura molecular do carvão com sua processabilidade, identificando composições ideais para fabricar fibras de carbono com propriedades ajustáveis.

Além disso, CAER e ORNL também irão colaborar para desenvolver condições de processo para aumentar a produção de fibra na Carbon Fiber Technology Facility (CFTF) em ORNL. O CFTF fornece uma plataforma para identificar matérias-primas de alto potencial e baixo custo, incluindo têxteis, polímeros e precursores à base de hidrocarbonetos. Usando o CFTF, ORNL está desenvolvendo propriedades mecânicas ideais para material de fibra de carbono, com foco na propriedade de estrutura e otimização de processo.

O Instituto de Ciência e Tecnologia da Coréia (KIST) anunciou que uma equipe de pesquisa do Instituto de Materiais Compostos Avançados, liderada pelo Dr. Yong Chae Jung, utilizou ácido tânico de origem vegetal para desenvolver um plástico reforçado com fibra de carbono retardante de chama (CFRP), e também apresentou um método para sua reciclagem ecológica. Assim, foi desenvolvido um material compósito reforçado com fibra de carbono.

CFRP é um material compósito que contém fibra de carbono. Esse material é cerca de quatro vezes mais leve que o aço, porém 10 vezes mais forte e é amplamente utilizado nas indústrias aeroespaciais, automotiva, de construção naval e de equipamentos esportivos. Estruturalmente, o CFRP é composto de fibra de carbono e resina epóxi, que desempenham funções neste material compósito semelhantes aos que as barras de reforço e o cimento desempenham nas estruturas de concreto. Para obter rigidez mecânica, a ligação da fibra de carbono e da resina epóxi deve ser forte. Além disso, o CFRP deve ser à prova de fogo, pois é usado para fins relacionados à vida cotidiana, por exemplo, como material de construção. Para induzir essas características no CFRP, algumas vezes é sintetizado com aditivos.

Foi adicionado ao CFRP um retardador de chama de halogênio para efeito à prova de fogo. No entanto, o uso de halogênio na CFRP foi proibido em todo o mundo, pois gera substâncias tóxicas quando incineradas para reciclagem. Assim, a tarefa em questão era tornar o CFRP um retardador de chamas com o uso de um material seguro e não tóxico.

Jung Yong-Chae procurou melhorar a rigidez mecânica e o retardamento de chama do CFRP com ácido tânico. O ácido tânico se transforma em carvão quando queimado, e quando carbonizado funciona como uma barreira que bloqueia a entrada de oxigênio externo. Ao fabricar a resina epóxi a partir de ácido tânico e misturá-la com a fibra de carbono, a equipe de pesquisa do KIST desenvolveu com sucesso um CFRP.

Ao contrário da resina epóxi convencional que é vulnerável ao calor, a resina epóxi feita com ácido tânico é retardadora de chama e não precisa de aditivos. Isso significa que as substâncias tóxicas geradas ao incinerar o CFRP para reciclagem não seriam mais um problema.

Ao dissolver o CFRP na água em um estado de fluido supercrítico, isto é, temperatura e pressão em um nível definido, mais de 99% do CFRP pode ser recuperado sem desempenho reduzido da fibra de carbono. Ao contrário do método de reciclagem por incineração, que queima a resina epóxi, deixando apenas a fibra de carbono incompleta para ser reciclada, esse novo método de reciclagem permite a reciclagem de todos os componentes de um material compósito.

O pesquisador chefe Dr. Jung disse: "Criamos um material compósito com amplas aplicações, que é uma melhoria em relação ao plástico reforçado com fibra de carbono convencional em termos de retardamento de chama, rigidez mecânica e reciclabilidade. Essas características aprimoradas são significativas na medida em que determinam a faixa de aplicação do material compósito ". Ele acrescentou: "Iremos revisar a estrutura deste material para obter ainda mais propriedades aprimoradas e expandir ainda mais o alcance de sua aplicação".