Fibra de Carbono – Densidade – Resistência – Ponto de Fusão

Sobre Fibra de Carbono

A fibra de carbono é um polímero que é um material muito forte que também é muito leve. As fibras de carbono têm várias vantagens, incluindo alta rigidez, alta resistência à tração, baixo peso, alta resistência química, tolerância a altas temperaturas e baixa expansão térmica. A fibra de carbono é cinco vezes mais forte que o aço e duas vezes mais rígida. Embora a fibra de carbono seja mais forte e rígida que o aço, é mais leve que o aço; tornando-o o material de fabricação ideal para muitas peças. As fibras de carbono são geralmente combinadas com outros materiais para formar um compósito. 

Resumo

Nome	Fibra de Carbono
Fase em STP	sólido
Densidade	2000 kg/m3
Resistência à tração	4000 MPa
Força de rendimento	2500 MPa
Módulo de elasticidade de Young	500 GPa
Dureza Brinell	N/D
Ponto de fusão	3657 °C
Condutividade térmica	100 W/mK
Capacidade de calor	800 J/gK
Preço	22 $/kg

Densidade da fibra de carbono

As densidades típicas de várias substâncias estão à pressão atmosférica. A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida pelo volume: ρ = m/V.

Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade padrão do SI é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). A unidade padrão inglesa é libras de massa por pé cúbico (lbm/ft³).

A densidade da fibra de carbono é de 2.000 kg/m³.

Exemplo: Densidade

Calcule a altura de um cubo feito de fibra de carbono, que pesa uma tonelada métrica.

Solução:

A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É matematicamente definido como massa dividida pelo volume: ρ = m/V.

Como o volume de um cubo é a terceira potência de seus lados (V = a³), a altura desse cubo pode ser calculada:

A altura desse cubo é então a = 0,793 m.

Propriedades Mecânicas da Fibra de Carbono

Força da Fibra de Carbono

Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou alteração nas dimensões do material. Ao projetar estruturas e máquinas, é importante considerar esses fatores, para que o material selecionado tenha resistência adequada para resistir às cargas ou forças aplicadas e manter sua forma original.

A resistência de um material é a sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica. Para tensão de tração, a capacidade de um material ou estrutura de suportar cargas que tendem a se alongar é conhecida como resistência à tração final (UTS). O limite de escoamento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde a deformação não linear (elástica + plástica) começa. No caso de tensão tracional de uma barra uniforme (curva tensão-deformação), a lei de Hooke descreve o comportamento de uma barra na região elástica. O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensões de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração.

Veja também: Resistência dos Materiais

Resistência à tração final da Fibra de Carbono

A resistência à tração final da Fibra de Carbono é de 4000 MPa.

Força de Cedência da Fibra de Carbono

A força de rendimento da Fibra de Carbono é de 2500 MPa.

Módulo de Elasticidade da Fibra de Carbono

O módulo de elasticidade de Young da Fibra de Carbono é de 500 MPa.

Dureza da Fibra de Carbono

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de suportar o recuo da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. O teste de dureza Brinell é um dos testes de dureza de indentação, que foi desenvolvido para testes de dureza. Nos testes Brinell, um penetrador esférico duro é forçado sob uma carga específica na superfície do metal a ser testado.

O  número de dureza Brinell (HB) é a carga dividida pela área da superfície da indentação. O diâmetro da impressão é medido com um microscópio com uma escala sobreposta. O número de dureza Brinell é calculado a partir da equação:

A dureza Brinell da Fibra de Carbono é aproximadamente N/A.

Veja também: Dureza dos Materiais

Exemplo: Força

Suponha uma haste de plástico, que é feita de fibra de carbono. Esta haste de plástico tem uma área de seção transversal de 1 cm². Calcule a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final para este material, que é: UTS = 4000 MPa.

Solução:

A tensão (σ) pode ser igualada à carga por unidade de área ou à força (F) aplicada por área de seção transversal (A) perpendicular à força como:

portanto, a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final é:

F = UTS x A = 4000 x 10⁶ x 0,0001 = 400000 N

Propriedades Térmicas da Fibra de Carbono

Fibra de Carbono – Ponto de Fusão

O ponto de fusão da Fibra de Carbono é 3657 °C.

Observe que esses pontos estão associados à pressão atmosférica padrão. Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual essa mudança de fase ocorre. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio. Para vários compostos químicos e ligas, é difícil definir o ponto de fusão, pois geralmente são uma mistura de vários elementos químicos.

Fibra de Carbono – Condutividade Térmica

A condutividade térmica da Fibra de Carbono é  de 100 W/(m·K).

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. No geral:

A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto, geralmente podemos escrever k = k(T). Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.

Fibra de Carbono – Calor Específico

O calor específico da Fibra de Carbono é 800 J/g K.

Calor específico, ou capacidade calorífica específica, é uma propriedade relacionada à energia interna que é muito importante na termodinâmica. As propriedades intensivas c_v e c_p são definidas para substâncias compressíveis puras simples como derivadas parciais da energia interna u(T, v) e entalpia h(T, p), respectivamente: 

onde os subscritos v e p denotam as variáveis ​​mantidas fixas durante a diferenciação. As propriedades c_v e c_p são chamadas de calores específicos (ou capacidades de calor) porque, sob certas condições especiais, elas relacionam a mudança de temperatura de um sistema à quantidade de energia adicionada pela transferência de calor. Suas unidades no SI são J/kg K ou J/mol K.

Exemplo: cálculo de transferência de calor

A condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura. Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor.

Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede de 3 m x 10 m de área (A = 30 m²). A parede tem 15 cm de espessura (L₁) e é feita de Fibra de Carbono com condutividade térmica  de k₁ = 100 W/mK (isolante térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa  sejam 22°C e -8°C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h₁ = 10 W/m²K e h₂ = 30 W/m²K, respectivamente. Note-se que estes coeficientes de convecção dependem especialmente das condições ambientais e interiores (vento, humidade, etc.).

Calcule o fluxo de calor (perda de calor) através desta parede.

Solução:

Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção. Com esses sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente global de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton:

O  coeficiente global de transferência de calor está relacionado com a resistência térmica total e depende da geometria do problema.

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente global de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente global de transferência de calor é então: U = 1 / (1/10 + 0,15/100 + 1/30) = 7,42 W/m²K

O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,42 [W/m²K] x 30 [K] = 222,5 W/m²

A perda total de calor através desta parede será: q_perda = q . A = 222,5 [W/m²] x 30 [m²] = 6674,91 W