BRPI1001780B1 - carbon tubular material, composites containing carbon, uses and processes for their manufacture - Google Patents

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BRPI1001780B1
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tubular
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Alberto Alves Cairo Carlos
Eduardo De Carvalho Luiz
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Inst De Aeronautica E Espaco Iae
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Abstract

material tubular de carbono, compósitos contendo o mesmo, usos e processos para sua obtenção. a presente invenção proporciona materiais tubulares de carbono (c), bem como compósitos contendo os mesmos, seus usos e processos para sua obtenção. os processos da presente invenção fazem uso de um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal. tal precursor é carbonizado para obtenção de materiais tubulares de c, mantendo a estrutura da matriz e reforço originais. os produtos da invenção são dotados de propriedade físico-químicas peculiares, sendo úteis em diversas aplicações, incluindo a produção de compósitos contendo materiais tubulares de c. de especial interesse na presente invenção, são revelados compósitos compreendendo c reforçado com fibras ocas de c, material que é de grande aplicabilidade no segmento aeroespacial dentre outros.carbon tubular material, composites containing carbon, uses and processes for their manufacture. The present invention provides carbon tubular materials (c), as well as composites containing them, their uses and processes for obtaining them. The processes of the present invention make use of a precursor which is a polymeric material having a gradient of physicochemical property in its cross section. such a precursor is carbonized to obtain c-tubular materials while retaining the original matrix structure and reinforcement. The products of the invention are endowed with peculiar physicochemical properties and are useful in various applications including the production of composites containing tubular c. Of particular interest in the present invention are disclosed composites comprising c-reinforced hollow fibers, material which is of great applicability in the aerospace segment among others.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção ‘Invention Patent Descriptive Report ‘

Material Tubular de Carbono, Compósitos contendo o mesmo, Usos e Processos para sua ObtençãoTubular Carbon Material, Composites containing it, Uses and Processes for Obtaining It

Campo da InvençãoField of the Invention

A presente invenção refere-se a materiais especiais e a meios para sua obtenção. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a materiais tubulares de carbono (C), bem como a compósitos contendo os mesmos, seus usos e a processos para sua obtenção. Os processos da presente invenção fazem uso de um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal. Tal precursor é carbonizado para a obtenção de materiais tubulares de C, mantendo a estrutura da matriz e reforço originais. Os produtos da invenção são dotados de propriedades físico-químicas peculiares, sendo úteis em diversas aplicações, incluindo a produção de compósitos contendo materiais tubulares de carbono. De especial interesse na presente invenção, são revelados compósitos compreendendo carbono reforçado com fibras ocas de carbono, material que é de grande aplicabilidade no segmento aeroespacial, dentre outros.The present invention relates to special materials and means for obtaining them. More specifically, the present invention relates to tubular carbon (C) materials, as well as composites containing them, their uses and processes for obtaining them. The processes of the present invention make use of a precursor that is a polymeric material with a gradient of physical-chemical property in its cross section. Such a precursor is carbonized to obtain C tubular materials, maintaining the original matrix structure and reinforcement. The products of the invention are endowed with peculiar physical-chemical properties, being useful in several applications, including the production of composites containing tubular carbon materials. Of special interest in the present invention, composites are disclosed comprising carbon reinforced with hollow carbon fibers, a material that is highly applicable in the aerospace segment, among others.

Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention

O elemento carbono tem peso atômico 12,011 e é o sexto elemento na tabela periódica. Possui três isótopos conhecidos C12, C13 e C14. Destes o C12 é o naturalmente usado como referência por ocorrer em 99% dos casos, o C13 é o que possui momento magnéticos sendo os dois estáveis, já o C14 é o radioativo. O elemento carbono é bem conhecido por ter suas propriedades anômalas, incluindo sua capacidade de abraçar as três maiores divisões da ciência dos materiais: polímeros, cerâmicos e metais. Forma fortes ligações entre seus átomos (ligações ente átomos de carbono C-C) principalmente na química orgânica e polímeros; o elemento carbono também aparece na forma alotrópica como diamante e grafite, que é altamente refratário e permanece sólido acima do ponto de fusão da maioria dos cerâmicos, permitindo que oThe carbon element has an atomic weight of 12.011 and is the sixth element in the periodic table. It has three known isotopes C 12 , C 13 and C 14 . Of these, C 12 is naturally used as a reference because it occurs in 99% of the cases, C 13 is the one that has magnetic moments and the two are stable, while C 14 is the radioactive. The carbon element is well known for its anomalous properties, including its ability to embrace the three major divisions of materials science: polymers, ceramics and metals. It forms strong bonds between its atoms (bonds between carbon CC atoms) mainly in organic chemistry and polymers; the carbon element also appears in allotropic form like diamond and graphite, which is highly refractory and remains solid above the melting point of most ceramics, allowing the

2/28 cristal de grafite tenha propriedades elétricas e térmicas comparáveis às dos metais.2/28 graphite crystal has electrical and thermal properties comparable to metals.

O carbono como um sólido é a única substância que pode ser fabricada de modo a exibir a maior e mais ampla variedade de diferentes estruturas e propriedades. Algumas estruturas podem ser extremamente resistentes, duras e rígidas, enquanto outras formas apresentam-se moles e dúcteis. Muitos materiais carbonosos são porosos, exibindo uma grande área superficial, enquanto outros são impermeáveis a líquidos e gases. Estas variações são resultados de efeitos estruturais tais como: número de defeitos, geometria e quantidade de fases com modificações na ordem cristalina.Carbon as a solid is the only substance that can be manufactured to exhibit the largest and widest variety of different structures and properties. Some structures can be extremely resistant, hard and rigid, while other shapes are soft and ductile. Many carbonaceous materials are porous, exhibiting a large surface area, while others are impermeable to liquids and gases. These variations are the result of structural effects such as: number of defects, geometry and number of phases with changes in the crystalline order.

Na forma de cristais hexagonais, comumente chamado de grafite policristalino, o carbono encontra uma grande diversidade de aplicações industriais. A aplicação deste material está baseada numa combinação atrativa de propriedades que o grafite oferece. Devido à sua boa condutividade elétrica, é usado motores como eletrodo em processos de eletro-refinamento e escova para elétricos, como trocados de calor, devido à sua alta condutividade no processo metalúrgico de fundição por sua inércia química e alta térmica, resistência em altas temperaturas, entre outras. Apesar de uma extensa lista de aplicações potenciais, o grafite sofre sérias restrições para a utilização como material estrutural devido à sua fragilidade mecânica.In the form of hexagonal crystals, commonly called polycrystalline graphite, carbon finds a wide range of industrial applications. The application of this material is based on an attractive combination of properties that graphite offers. Due to its good electrical conductivity, motors are used as electrodes in electro-refinement processes and brush for electrics, as heat exchangers, due to their high conductivity in the metallurgical casting process due to their chemical and high thermal inertia, resistance at high temperatures , among others. Despite an extensive list of potential applications, graphite suffers serious restrictions for use as a structural material due to its mechanical fragility.

Atualmente, o carbono é provavelmente o elemento químico mais extraordinário conhecido pela ciência, estando presente em grande variedade de materiais essenciais para nossa sociedade como, piche, petróleo, diamante e, mais recentemente, em fibras de carbono e fibras de carbono reforçando o carbono, também chamado de composite carbono/carbono (C/C). O composite C/C pode ser definido como um material de engenharia composto por uma matriz de carbono ou grafítica reforçada com material de carbono ou grafítico. Foi sintetizado pela primeira vez nos anos 50, mas somente na década de 60 foi explorado no programa do ônibus espacial por suas propriedades extraordinárias. O composite C/C possui as propriedades dos grafites monolíticos, tais como: alta resistência ao choque térmico e a retenção dasCurrently, carbon is probably the most extraordinary chemical element known to science, being present in a wide variety of materials essential for our society such as tar, oil, diamond and, more recently, in carbon fibers and carbon fibers reinforcing carbon, also called carbon / carbon composite (C / C). The composite C / C can be defined as an engineering material composed of a carbon or graphitic matrix reinforced with carbon or graphitic material. It was first synthesized in the 1950s, but only in the 1960s was it explored in the space shuttle program for its extraordinary properties. The C / C composite has the properties of monolithic graphites, such as: high resistance to thermal shock and retention of

3/28 propriedades mecânicas em altas temperaturas, em ambientes não oxidantes, aliadas a alta resistência mecânica obtida pelo reforço das fibras. O compósito C/C exibe excelentes propriedades mecânicas em altas temperaturas. A alta resistência específica (razão entre resistência mecânica e massa específica) e 5 a manutenção da resistência em altas temperaturas tornam o compósito C/C extremamente atrativo como material estrutural para aplicações em altas temperaturas como: motores, aeronaves e espaçonaves. Outras vantagens desse compósito incluem alta resistência ao choque térmico, alta condutividade térmica e alta tenacidade à fratura. O compósito C/C é estável em το temperaturas da ordem de 3000°C em vácuo ou ambientes inertes. Porém, esse material tem a série desvantagem de ser muito reativo em atmosferas oxidantes em temperaturas próximas a 500°C. Essa desvantagem limita a utilização em altas temperaturas e ambientes oxidantes.3/28 mechanical properties at high temperatures, in non-oxidizing environments, combined with high mechanical strength obtained by reinforcing fibers. The C / C composite exhibits excellent mechanical properties at high temperatures. The high specific resistance (ratio between mechanical resistance and specific mass) and the maintenance of resistance at high temperatures make the C / C composite extremely attractive as a structural material for high temperature applications such as: engines, aircraft and spacecraft. Other advantages of this composite include high resistance to thermal shock, high thermal conductivity and high fracture toughness. The C / C composite is stable at το temperatures on the order of 3000 ° C in vacuum or inert environments. However, this material has the disadvantage of being very reactive in oxidizing atmospheres at temperatures close to 500 ° C. This disadvantage limits use in high temperatures and oxidizing environments.

O método mais aceito para a proteção do compósito C/C contra 15 oxidação envolve o recobrimento da superfície com um material refratário apropriado para prevenir o ataque do oxigênio ao substrato. Recobrimentos cerâmicos utilizados são; SiC, SÍ3N4, camadas de vidros óxido, foram estudadas e mostraram ser de certo modo bem sucedidas. Mas dois problemas estão associados a essa técnica: a falha da proteção em baixas temperaturas 20 (<600°C) e 0 surgimento de trincas devido às tensões desenvolvidas pela diferença de expansão térmica entre o substrato e o filme cerâmico, abrindo ) caminho para a penetração do oxigênio. Uma ideia para contornar estes problemas é a utilização de recobrimentos com multicamadas, que consistem em duas camadas principais, isto é, o carbeto de silício (SiC) na camada 25 interior e um óxido refratário na camada exterior.The most accepted method for protecting the C / C composite against oxidation involves covering the surface with an appropriate refractory material to prevent oxygen from attacking the substrate. Ceramic coatings used are; SiC, SÍ3N4, oxide glass layers, have been studied and shown to be somewhat successful. But two problems are associated with this technique: the failure of protection at low temperatures 20 (<600 ° C) and 0 appearance of cracks due to the stresses developed by the difference in thermal expansion between the substrate and the ceramic film, opening the way for oxygen penetration. An idea to circumvent these problems is the use of coatings with multilayers, which consist of two main layers, that is, the silicon carbide (SiC) in the inner layer and a refractory oxide in the outer layer.

Fabricação de Compósitos C/CC / C Composites Manufacturing

O método clássico de fabricação dos materiais carbonosos é similar ao utilizado no processamento cerâmico. Partículas de carbono puro (carbono primário) são combinados com um ligante temporário. Este ligante atua como 30 precursor do carbono secundário que se forma durante o tratamento de carbonização. Como resultado, obtém-se um material constituídoThe classic method of manufacturing carbonaceous materials is similar to that used in ceramic processing. Particles of pure carbon (primary carbon) are combined with a temporary binder. This binder acts as a precursor to the secondary carbon that forms during the carbonization treatment. As a result, a material is obtained

4/28 α»’ exclusivamente por carbono em duas fases distintas: o carbono primário, também chamado de carbono de enchimento, envolvido pelo carbono secundário que funciona como um ligante das partículas do primeiro. No caso do compósito C/C, as fibras de carbono são utilizadas como carbono primário, dispostas numa distribuição espacial chamada de préforma.4/28 α »’ exclusively by carbon in two distinct phases: the primary carbon, also called filler carbon, surrounded by the secondary carbon that acts as a binder for the particles of the first. In the case of the C / C composite, carbon fibers are used as primary carbon, arranged in a spatial distribution called a preform.

Dois métodos são utilizados para formar a matriz (carbono secundário) do compósito C/C. O primeiro é baseado na impregnação da fibra com um material carbonoso líquido que é convertido em carbono residual via tratamento térmico em atmosfera inerte. No segundo método, as fibras de carbono são primeiramente aquecidas e então expostas a compostos orgânicos gasosos, usualmente hidrocarbonetos que se decompõem para depositar uma camada de carbono pirolítico na superfície das fibras.Two methods are used to form the matrix (secondary carbon) of the C / C composite. The first is based on the impregnation of the fiber with a liquid carbonaceous material that is converted into residual carbon via heat treatment in an inert atmosphere. In the second method, the carbon fibers are first heated and then exposed to gaseous organic compounds, usually hydrocarbons that decompose to deposit a layer of pyrolytic carbon on the surface of the fibers.

As fibras de carbono que estão comercialmente disponíveis são divididas em 3 categorias: propósito geral; alto desempenho; e fibras de carbono ativadas. As do tipo propósito geral são caracterizadas pela estrutura amorfa e isotrópica, baixa resistência à tração, baixo módulo em tração e baixo custo. As fibras de alto desempenho são caracterizadas pelo alto módulo e alta resistência. O maior módulo dessas fibras está associado com a maior porção de grafite e maior anisotropia. As fibras de carbono ativadas são caracterizadas pela presença de um grande número de micro porosidade aberta que atua como sítios de absorção. A capacidade de absorção da fibra de carbono ativada é comparada a do carbono ativado, mas a forma da fibra permite ao material a ser absorvido chegar mais rapidamente ao local de absorção, acelerando assim o processo de adsorção ou dessorção. O tratamento comercial da fibra de carbono ativada é feito com ácido sulfúrico seguido de tratamento térmico acima de 500°C.The carbon fibers that are commercially available are divided into 3 categories: general purpose; high performance; and activated carbon fibers. General purpose types are characterized by an amorphous and isotropic structure, low tensile strength, low modulus in traction and low cost. High performance fibers are characterized by high modulus and high strength. The largest modulus of these fibers is associated with the largest portion of graphite and the highest anisotropy. Activated carbon fibers are characterized by the presence of a large number of open micro porosities that act as absorption sites. The absorption capacity of activated carbon fiber is compared to that of activated carbon, but the shape of the fiber allows the material to be absorbed to reach the absorption site more quickly, thus accelerating the adsorption or desorption process. The commercial treatment of the activated carbon fiber is done with sulfuric acid followed by heat treatment above 500 ° C.

Embora muitos materiais possam ser utilizados como precursores de fibras de carbono, somente Rayon, Piche e PAN são considerados satisfatórios para processos comerciais. O rendimento de carbono para estes três caminhos de produção das fibras são apresentados na Tabela 1.Although many materials can be used as precursors to carbon fibers, only Rayon, Tar and PAN are considered satisfactory for commercial processes. The carbon yield for these three fiber production paths are shown in Table 1.

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Tabela 1 - Rendimento de carbono para vários precursores de fibras de carbono.Table 1 - Carbon yield for several carbon fiber precursors.

Precursor Precursor Rendimento % do processo Yield% of process Rayon Rayon 20-30 20-30 Piche Tar 75-50 75-50 PAN PAN 45-50 45-50

As fibras de carbono com base no Rayon foram as primeiras a serem produzidas pela Union Carbide por estiramento e grafitização. Precursores de piche isotrópico e de Rayon são usados para produção de fibras de baixo módulo (<60 GPa). As fibras dos dois tipos podem ser estiradas em altas temperaturas para aumentar seu módulo substancialmente, mas o processo não é operado comercialmente.Rayon-based carbon fibers were the first to be produced by Union Carbide by stretching and graphitization. Isotropic tar and Rayon precursors are used to produce low modulus fibers (<60 GPa). The fibers of both types can be stretched at high temperatures to increase their modulus substantially, but the process is not operated commercially.

Durante um período a conversão da fibra de poliacrilonitrila (PAN) em fibras de carbono de alto módulo foi investigada e levou à produção em larga escala de fibras de carbono mais resistentes. A pesquisa de um processo de baixo custo mostra a possibilidade da utilização de piche como precursor de fibras de carbono. Fibras de alto módulo são fabricadas de PAN ou mesofase do piche como precursor, em ambos os casos o precursor orientado da fibra é estabilizado por uma ligeira oxidação para a cura das fibras e carbonização em temperaturas acima de 800°C para a produção das fibras de carbono. O módulo da fibra é aumentado com o aumento da temperatura de tratamento térmico.Over a period the conversion of polyacrylonitrile fiber (PAN) into high modulus carbon fibers was investigated and led to the large-scale production of more resistant carbon fibers. Research on a low-cost process shows the possibility of using pitch as a precursor to carbon fibers. High modulus fibers are manufactured from PAN or tar mesophase as a precursor, in both cases the oriented precursor of the fiber is stabilized by a slight oxidation to cure the fibers and carbonization at temperatures above 800 ° C for the production of the fibers. carbon. The fiber modulus is increased with an increase in the heat treatment temperature.

Polímeros sintéticos como poliacrilonitrila e copolímeros acrílicos são consideravelmente interessantes como precursores de fibras de carbono. Um fato é que uma grande quantidade de fibras de alto módulo é produzida pela conversão da poliacrilonitrila. Neste contexto, o material usado para formar fibras de carbono não é o homopolímero da acrilanitrila, que é bastante difícil de dissolver, mas o copolímero contendo mais de 85% em massa de acrilonitrila.Synthetic polymers such as polyacrylonitrile and acrylic copolymers are considerably interesting as precursors to carbon fibers. One fact is that a large amount of high modulus fibers is produced by converting polyacrylonitrile. In this context, the material used to form carbon fibers is not the acrylonitrile homopolymer, which is quite difficult to dissolve, but the copolymer containing more than 85% acrylonitrile by weight.

São conhecidos dois processos básicos para a obtenção da fibra de poliacrilonitrila. No processo a seco, o precursor é fundido e extrudado através 6 Ζ 28 ..φ ίTwo basic processes are known for obtaining polyacrylonitrile fiber. In the dry process, the precursor is melted and extruded through 6 Ζ 28 ..φ ί

Ά de uma fieira que contém um determinado número de pequenos capilares. Ao sair da fieira o polímero resfria e solidifica na forma de fibras. Na fiação a úmido, uma solução concentrada do polímero, dissolvido em solvente apropriado para formar uma solução com viscosidade adequada ao processo de fiação, é extrudada através de uma fieira em um banho de coagulação. O solvente dilui melhor a solução de coagulação do que o precursor (é mais solúvel ao banho de coagulação) e, dessa forma, a solução do polímero que emerge dos capilares precipita na forma de fibras.It is a die that contains a number of small capillaries. When leaving the die the polymer cools and solidifies in the form of fibers. In wet spinning, a concentrated solution of the polymer, dissolved in an appropriate solvent to form a solution with viscosity suitable for the spinning process, is extruded through a die in a coagulation bath. The solvent dilutes the coagulation solution better than the precursor (it is more soluble in the coagulation bath) and, thus, the polymer solution that emerges from the capillaries precipitates as fibers.

Em 1961 Shindo obteve fibras de carbono pela pirólise de fibras de PAN pré-oxidadas. No mesmo período Watt e Johnson mostraram que um primeiro passo da conversão em ar e temperatura entre 150-400°C tinha principal importância no rendimento de carbono e na orientação das cadeias poliméricas que formam as lamelas de grafite. Consequentemente, no referido processo estabilização e orientação das cadeias poliméricas ocorrem simultaneamente. Hoje em dia 90% das fibras de carbono disponíveis são feitas com o precursor de PAN.In 1961 Shindo obtained carbon fibers through the pyrolysis of pre-oxidized PAN fibers. In the same period, Watt and Johnson showed that a first step of conversion to air and temperature between 150-400 ° C was of major importance in carbon yield and in the orientation of the polymer chains that form the graphite lamellae. Consequently, in said process stabilization and orientation of the polymer chains occur simultaneously. Today 90% of the available carbon fibers are made with the PAN precursor.

Duas companhias Japonesas, a Nippon Carbon e a Tokai Denkyoku iniciaram a fabricação em pequena escala em 1969 com os produtos CarbolonZ e Thermolon-S que tinham resistência a tração de 1,8-2,8 GPa e módulo de 350-410 GPa.Two Japanese companies, Nippon Carbon and Tokai Denkyoku started manufacturing on a small scale in 1969 with the CarbolonZ and Thermolon-S products that had a tensile strength of 1.8-2.8 GPa and a module of 350-410 GPa.

Partindo da fibra têxtil de massa específica 1,17-1,19 g.cnT3 que é branca após estabilizada em ar por poucas horas em temperaturas de 200300°C pode ser observado mudanças de coloração partindo do branco para o amarelo, continuando o processo a fibra se torna marrom-avermelhado até o preto. Testes de estabilização incluem medidas de massa específica ou índice de aromatização baseado no ângulo aberto na medida de difração de raios X. Corretamente estabilizadas as fibras terão massa específica de 1,35-1,39 g cm' 3 dependendo do precursor usado. Aquecendo em atmosfera inerte, sem tensão e em temperatura de 1000-1200°C as fibras de carbono terão módulo de 200-230 GPa. O aquecimento posterior em condições inertes resulta em aumentos no módulo diretamente proporcional a temperatura de tratamentoStarting from the textile fiber of specific mass 1.17-1.19 g.cnT 3, which is white after being stabilized in air for a few hours at temperatures of 200300 ° C, color changes from white to yellow can be observed, continuing the process the fiber turns reddish-brown to black. Stabilization tests include specific mass measurements or aromatization index based on the open angle in the X-ray diffraction measurement. Correctly stabilized fibers will have a specific mass of 1.35-1.39 g cm ' 3 depending on the precursor used. Heating in an inert atmosphere, without tension and at a temperature of 1000-1200 ° C, the carbon fibers will have a module of 200-230 GPa. The subsequent heating in inert conditions results in increases in the module directly proportional to the treatment temperature.

7/28 térmico. Tratamentos em temperaturas de 2600-2800°C produzem fibras com ‘ k módulos superiores a 400GPa.7/28 thermal. Treatments at temperatures of 2600-2800 ° C produce fibers with ' k modules greater than 400GPa.

Resumidamente, Ozbek conclui que a massa específica das fibras de carbono de precursor de PAN, quando estiradas a quente, pode ser 5 relacionada com parâmetros microestruturais como orientação preferida e tamanho da cristalinidade aparente. Entretanto, parece haver uma relação muito mais complexa com as propriedades mecânicas e parâmetros específicos de processo que são usados para a indução das mudanças.Briefly, Ozbek concludes that the specific mass of PAN precursor carbon fibers, when hot stretched, can be related to microstructural parameters such as preferred orientation and apparent crystallinity size. However, there seems to be a much more complex relationship with the mechanical properties and specific process parameters that are used to induce changes.

As propriedades mecânicas das fibras de carbono são fortemente ίο dependentes da orientação das cadeias carbônicas. Altos valores de módulo de elasticidade e tensão de ruptura só serão obtidos quando o arranjo do empacotamento apresentar poucos defeitos. Na fibra de carbono, a obtenção dessa melhor orientação aliada a poucos defeitos depende fundamentalmente da sistemática utilizada durante as várias etapas da conversão do precursor 15 (PAN). Durante as várias etapas da estabilização do precursor, esse material torna-se altamente suscetível a adquirir pequenos defeitos que terão influência marcante nas propriedades mecânicas da fibra de carbono.The mechanical properties of carbon fibers are strongly dependent on the orientation of the carbon chains. High values of modulus of elasticity and tensile strength will only be obtained when the packing arrangement has few defects. In carbon fiber, obtaining this better orientation combined with few defects depends fundamentally on the system used during the various stages of the conversion of precursor 15 (PAN). During the various stages of precursor stabilization, this material becomes highly susceptible to acquire small defects that will have a marked influence on the mechanical properties of the carbon fiber.

A primeira etapa da conversão da fibra de PAN em Fibra de Carbono é o estiramento, onde é obtida uma melhor orientação da cadeia carbônica. Nessa 20 etapa o precursor é tratado termicamente à 180°C e submetido à tensão constante, não ocorrendo transformação química, mas somente alinhamento I das cadeias.The first step in converting PAN fiber to carbon fiber is stretching, where better orientation of the carbon chain is obtained. In this 20 stage, the precursor is heat treated at 180 ° C and subjected to constant tension, with no chemical transformation, but only alignment I of the chains.

A segunda etapa é a pré-estabilização, onde as cadeias carbônicas abertas e já alinhadas iniciam a formação de cadeias aneladas, sendo o 25 nitrogênio da PAN um dos componentes dos anéis. Com temperatura em torno de 230°C em atmosfera oxidante, a massa específica do material aumenta aproximadamente 10%. A terceira fase do tratamento térmico é denominada de estabilização ou oxidação, e é realizada entre 260 e 300°C, em atmosfera oxidante com o material anelado reagindo com o oxigênio alterando sua 30 composição química mantendo, no entanto, os anéis. A massa específica aumenta aproximadamente 10%, o que torna o precursor estabilizado idealThe second stage is pre-stabilization, where the open and already aligned carbon chains start the formation of ring chains, with PAN nitrogen being one of the components of the rings. With a temperature around 230 ° C in an oxidizing atmosphere, the density of the material increases by approximately 10%. The third phase of heat treatment is called stabilization or oxidation, and is carried out between 260 and 300 ° C, in an oxidizing atmosphere with the ring material reacting with oxygen changing its chemical composition, however maintaining the rings. Specific gravity increases by approximately 10%, which makes the stabilized precursor ideal

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Φ Rub:-JL—*K. y para se obter a fibra de carbono. Convencionou-se chamar o tratamento '' térmico entre 200 e 300°C que envolve a segunda e terceira etapas de estabilização oxidativa.Φ Rub: -JL— * K. y to obtain the carbon fiber. It was agreed to call the '' thermal treatment between 200 and 300 ° C which involves the second and third stages of oxidative stabilization.

A última etapa da conversão é a carbonização, que ocorre em temperaturas de aproximadamente 1000°C em atmosfera inerte, onde são eliminados os demais elemento químicos, ficando somente carbono como estrutura grafítica.The last stage of conversion is carbonization, which occurs at temperatures of approximately 1000 ° C in an inert atmosphere, where the other chemical elements are eliminated, leaving only carbon as the graphical structure.

A fabricação de fibras de carbono utilizando a PAN como precursor pode ser conduzida em diferentes condições, com temperaturas diferentes a cada ίο estágio.The manufacture of carbon fibers using PAN as a precursor can be carried out under different conditions, with different temperatures at each stage.

Estabilização oxidativa da PANOxidative stabilization of PAN

As fibras de carbono que utilizam PAN como precursor foram extensivamente aplicadas nas ultimas duas décadas na tecnologia de compósitos. São altamente desejáveis para compósitos de alto desempenho em tecnologias automotivas e aeroespaciais devido a suas excelentes características físicas e mecânicas. Durante a conversão da fibra de PAN em fibra de carbono existe um estágio crucial chamado de estabilização oxidativa. Esta estabilização é normalmente realizada em temperaturas entre 200°C e 300°C em atmosfera de oxigênio ou em ar, sob tensão por um tempo adequado 20 produzindo fibras infusíveis e resistentes ao fogo. Temperaturas abaixo de 200°C não são adequadas do ponto de vista do processo, pois requerem f longos períodos de tempo, enquanto que temperaturas acima de 300°C causam violentas reações exotérmicas com significativa perda de massa e formação de subprodutos derivados de alcatrão.Carbon fibers that use PAN as a precursor have been extensively applied in the last two decades in composite technology. They are highly desirable for high performance composites in automotive and aerospace technologies due to their excellent physical and mechanical characteristics. During the conversion of PAN fiber to carbon fiber there is a crucial stage called oxidative stabilization. This stabilization is usually carried out at temperatures between 200 ° C and 300 ° C in an oxygen atmosphere or in air, under tension for an appropriate time 20, producing infusible and fire-resistant fibers. Temperatures below 200 ° C are not suitable from the process point of view, as they require long periods of time, while temperatures above 300 ° C cause violent exothermic reactions with significant loss of mass and formation of tar-derived by-products.

Os feixes das fibras de poliacrilonitrila utilizados na etapa de estabilização são formados por multifilamentos das fibras do copolímero PAN e o número de filamentos nestes dependem de sua aplicação. Na estabilização oxidativa, as fibras precursoras devem ser processadas por uma até duas horas em fornos com temperaturas entre 200 e 300°C, além do controle do fluxo de ar, as tensões devem ser cuidadosamente controladas. Como as reações de estabilização são exotérmicas, o controle da temperatura da fibra éThe bundles of polyacrylonitrile fibers used in the stabilization step are formed by multifilaments of the PAN copolymer fibers and the number of filaments in them depends on their application. In oxidative stabilization, the precursor fibers must be processed for one to two hours in ovens with temperatures between 200 and 300 ° C, in addition to controlling the air flow, the stresses must be carefully controlled. Since the stabilization reactions are exothermic, the temperature control of the fiber is

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fundamental. Se a temperatura é muito baixa, as reações são lentas e podem'' '·'S '‘Λ’ resultar em estabilização incompleta. Se a temperatura é muito elevada, a fibra pode superaquecer e fundir, ou mesmo queimar.fundamental. If the temperature is too low, reactions are slow and can '''·' S '' Λ 'result in incomplete stabilization. If the temperature is too high, the fiber can overheat and melt, or even burn.

Existem alternativas para o tratamento térmico durante a estabilização: a primeira é a estabilização isotérmica, que foi o primeiro método para produzir fibras de carbono em um processo contínuo. Alguns trabalhos têm utilizado a passagem do feixe de PAN precursor através de um forno dividido em várias zonas com perfil crescente de temperatura, a massa específica do precursor aumenta continuamente.There are alternatives for heat treatment during stabilization: the first is isothermal stabilization, which was the first method to produce carbon fibers in a continuous process. Some works have used the passage of the precursor PAN beam through an oven divided into several zones with an increasing temperature profile, the specific mass of the precursor increases continuously.

jo Os processos contínuos para estabilização das fibras de PAN são todos baseados na idéia de passar os feixes de fibras através de zonas aquecidas. O primeiro esboço de forno consiste em uma zona básica com passagens múltiplas através desta mesma zona. O feixe pode ser orientado horizontalmente ou verticalmente no forno, o ar circula no forno para controlar o 15 calor e a transferência de massa. São conhecidos fornos de estabilização que contêm um certo número de zonas, em diferentes temperaturas. Este conceito de zonas múltiplas com estágios de temperaturas é provavelmente usado em todos os processos comerciais.jo The continuous processes for stabilizing PAN fibers are all based on the idea of passing bundles of fibers through heated zones. The first oven sketch consists of a basic zone with multiple passages through this same zone. The beam can be oriented horizontally or vertically in the oven, air is circulated in the oven to control heat and mass transfer. Stabilization furnaces are known which contain a number of zones, at different temperatures. This concept of multiple zones with temperature stages is probably used in all business processes.

O estágio de estabilização oxidativa é o mais longo e mais crítico passo 20 no processo da transformação da fibra de PAN em fibra de carbono por causa da necessidade de controle da quantia (considerável) de evolução de calor que 1 acompanha a reação de degradação do PAN. Nesse estágio, o termoplástico inicialmente fusível torna-se infusível pela reação de dehidrogenação, ciclização, oxidação e ligação cruzada, tal que ele possa suportar o processo 25 de carbonização com o mínimo de perda de carbono, retendo ainda sua estrutura fibrilar e orientação. Há autores que propõem que prevenir a fibra de retrair durante a estabilização traz três consequências:The oxidative stabilization stage is the longest and most critical step 20 in the process of transforming the PAN fiber into carbon fiber because of the need to control the (considerable) amount of heat evolution that 1 accompanies the PAN degradation reaction. . At this stage, the initially fused thermoplastic becomes infusible by the dehydrogenation, cyclization, oxidation and cross-linking reaction, such that it can withstand the carbonization process with minimal carbon loss, while retaining its fibrillar structure and orientation. There are authors who propose that preventing the fiber from retracting during stabilization has three consequences:

- Induz a formação de poros menores ou menores dimensões na entrada do poro das fibras sendo estabilizadas, diminuindo então a velocidade de difusão 30 do oxigênio gasoso e dificultando a subsequente reação com oxigênio;- Induces the formation of smaller or smaller pores at the entrance of the pore of the fibers being stabilized, thus decreasing the speed of diffusion of the gaseous oxygen and hindering the subsequent reaction with oxygen;

10/2810/28

ϊ.-í FIs. Rub:._.ϊ.-í FIs. Rub: ._.

- Aumenta a remoção específica de nitrogênio durante a carbonização de acordo com o mecanismo de Watt’s (em parte responsável pelas boas propriedades mecânicas como a resistência à tração das fibras de carbono resultante) trazendo as lamelas de grafite mais perto uma da outra; e- Increases the specific nitrogen removal during carbonization according to the Watt’s mechanism (partly responsible for the good mechanical properties such as the tensile strength of the resulting carbon fibers) bringing the graphite lamellas closer together; and

3 - Aumentam o alinhamento mútuo das cadeias dos polímeros relativamente ao eixo da fibra, induzindo a alta anisotropia na fibra de carbono resultante, o qual é responsável pelo melhor Módulo de Elasticidade e propriedades de transporte (Condutividade Térmica e Elétrica).3 - Increase the mutual alignment of the polymer chains with respect to the fiber axis, inducing the high anisotropy in the resulting carbon fiber, which is responsible for the best elasticity module and transport properties (Thermal and Electrical Conductivity).

Condições apropriadas, tais como taxa de aquecimento, tempo de jo tratamento, temperatura de aquecimento e difusão de oxigênio, devem ser estabelecidas para a otimização da estabilização oxidativa de cada precursor.Appropriate conditions, such as heating rate, treatment time, heating temperature and oxygen diffusion, must be established to optimize the oxidative stabilization of each precursor.

A presença de oxigênio promove o aparecimento das ligações cruzadas e a formação das sequências cíclicas e aromáticas por eliminação de água, que são essenciais para a formação dos planos basais nas fibras de carbono.The presence of oxygen promotes the appearance of cross-links and the formation of cyclic and aromatic sequences by eliminating water, which are essential for the formation of the basal planes in carbon fibers.

A aplicação de tensão durante a oxidação do precursor é importante na prevenção da relaxação das cadeias e a consequente perda de orientação durante o processo de formação de ligações cruzadas, onde ocorrem alterações físicas e químicas na estrutura das cadeias poliméricas.The application of tension during the oxidation of the precursor is important in preventing the relaxation of the chains and the consequent loss of orientation during the process of forming cross-links, where physical and chemical changes occur in the structure of the polymer chains.

Considera-se uma fibra como adequadamente estabilizada quando o teor de oxigênio está na faixa de 14% a 20%. Acima desses valores pode ocorrer deterioração da fibra com diminuição das propriedades mecânicas e ’ estruturais da fibra de carbono. O tempo e a temperatura do tratamento térmico são fatores determinantes do processo de estabilização.A fiber is considered to be adequately stabilized when the oxygen content is in the range of 14% to 20%. Above these values, deterioration of the fiber may occur with a decrease in the mechanical and structural properties of the carbon fiber. The time and temperature of the heat treatment are determining factors in the stabilization process.

O perfil da temperatura nas diferentes regiões do forno, associada ao tempo de residência da fibra no interior do mesmo, são de fundamental importância na busca da otimização do processo de estabilização da fibra precursora.The temperature profile in the different regions of the oven, associated with the residence time of the fiber inside the oven, are of fundamental importance in the search for the optimization of the process of stabilization of the precursor fiber.

Vários e intensivos estudos realizados na década de 70 resumiram as extensas referências bibliográficas, que relacionam o curso das reações de estabilização. Discutem-se três possibilidades para a sequência temporal do curso das duas reações parciais mais importantes, a ciclização e aSeveral and intensive studies carried out in the 70's summarized the extensive bibliographic references, which relate the course of the stabilization reactions. Three possibilities are discussed for the temporal sequence of the course of the two most important partial reactions, cyclization and

11/28 desidrogenação, macromolécula:11/28 dehydrogenation, macromolecule:

sem considerar a incorporação dewithout considering the incorporation of

a) Inicialmente a ciclização e depois a desidrogenação;a) Initially cyclization and then dehydrogenation;

b) Inicialmente a desidrogenação e depois a ciclização; eb) Initially dehydrogenation and then cyclization; and

c) Simultaneamente a ciclização e desidrogenação.c) Simultaneously cyclization and dehydrogenation.

A maioria dos autores apoiou a sequência hipotética de reação postulada por Grassie e seus colaboradores, entre 1956 e 1972, ou seja, a ciclização primária precedendo a desidrogenação oxidativa, e os estudos fundamentaram-se nas análises dos produtos sólidos intermediários.Most authors supported the hypothetical reaction sequence postulated by Grassie and his collaborators between 1956 and 1972, that is, the primary cyclization preceding oxidative dehydrogenation, and the studies were based on the analysis of intermediate solid products.

As mudanças físicas e químicas durante a estabilização das fibras de PAN trazem inevitavelmente mudanças estruturais que podem ser detectadas por diferentes técnicas. A difração de raios X pode ser utilizada pela facilidade e o curto tempo para análise, mas também análises como espectroscopia de infravermelho, análise de calorimetria exploratória diferencial e medidas de massa específica podem ser usadas para avaliar o grau de estabilização (GE) das fibras de PAN. Métodos de difração de raios X e microscopia têm sido utilizados para o estudo das alterações morfológicas que ocorrem durante a estabilização.Physical and chemical changes during the stabilization of PAN fibers inevitably bring about structural changes that can be detected by different techniques. X-ray diffraction can be used for its ease and short time for analysis, but also analyzes such as infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry analysis and specific mass measurements can be used to assess the degree of stabilization (GE) of the fibers. PAN. X-ray diffraction and microscopy methods have been used to study the morphological changes that occur during stabilization.

A intensidade da reflexão equatorial principal a 2Θ = 17° do plano (100) da célula unitária da PAN, mostra um aumento inicial seguido por uma contínua diminuição durante a estabilização. A intensidade da reflexão (100) nas direções azimutal e radial tem sido usada para estimar, respectivamente, o tamanho e a orientação da fase com o ordenamento lateral no precursor. Alterações subsequentes durante a estabilização do precursor podem ser medidas com função do tempo ou temperatura de estabilização. Esse método, entretanto, está limitado à parte inicial da estabilização, devido ao completo desaparecimento dessa reflexão na etapa final da estabilização. Rose observou um aumento inicial seguido por uma contínua diminuição na orientação da fase ordenada como função da temperatura do tratamento térmico durante a estabilização em ar, mostrando uma correlação com a extensão das reações.The intensity of the main equatorial reflection at 2Θ = 17 ° from the plane (100) of the PAN unit cell, shows an initial increase followed by a continuous decrease during stabilization. The reflection intensity (100) in the azimuth and radial directions has been used to estimate, respectively, the size and orientation of the phase with the lateral ordering in the precursor. Subsequent changes during the precursor stabilization can be measured depending on the stabilization time or temperature. This method, however, is limited to the initial part of the stabilization, due to the complete disappearance of this reflection in the final stage of stabilization. Rose observed an initial increase followed by a continuous decrease in the orientation of the ordered phase as a function of the temperature of the heat treatment during stabilization in air, showing a correlation with the extent of the reactions.

12/2812/28

Carbonização e GrafitizaçãoCarbonization and Graphitization

A carbonização é um processo geralmente feito em gás inerte ou em vácuo. Dois tipos de reações ocorrem principalmente: a remoção do heteroátomo na cadeia do polímero e o desenvolvimento de uma estrutura grafítica. Esse processo é executado em temperaturas entre 1000-1500°C. Um processo típico de carbonização para produção de fibras de módulo intermediário iria carbonizar em 1000°C seguido de um tratamento térmico em »1300°C para aumentar a resistência à tração. Alguns autores citam temperaturas mais elevadas «1700°C. A carbonização frequentemente exige atmosfera inerte tal como nitrogênio “medicinalmente puro” ou argônio em ordem; para prevenir a oxidação devido ao acesso do ar, e para diluir os gases extremamente tóxicos desperdiçados na extração anterior.Carbonization is a process usually done in inert gas or in a vacuum. Two types of reactions occur mainly: the removal of the heteroatom in the polymer chain and the development of a graphitic structure. This process is carried out at temperatures between 1000-1500 ° C. A typical carbonization process for producing intermediate module fibers would carbonize at 1000 ° C followed by a heat treatment at »1300 ° C to increase the tensile strength. Some authors cite higher temperatures «1700 ° C. Carbonization often requires an inert atmosphere such as "medicinally pure" nitrogen or orderly argon; to prevent oxidation due to air access, and to dilute the extremely toxic gases wasted in the previous extraction.

A fibra perde a maioria de seu elemento de carbono na forma de gases voláteis, porém algum nitrogênio permanece na variedade de alta resistência. A taxa de carbonização deve ser muito bem controlada para prevenir a saída de gases que formam defeitos na fibra. Poros são criados na fibra devido à formação e da perfeição da estrutura em camadas de carbono. A massa específica da fibra primeiro aumenta e então reduz porque os poros abertos que foram criados primeiro, mais tarde são convertidos em poros fechados.Fiber loses most of its carbon element in the form of volatile gases, but some nitrogen remains in the high-resistance variety. The carbonization rate must be very well controlled to prevent the escape of gases that form defects in the fiber. Pores are created in the fiber due to the formation and perfection of the layered carbon structure. The specific gravity of the fiber first increases and then reduces because the open pores that were created first are later converted into closed pores.

Tratamentos térmicos acima de 1800°C devem ser considerados como grafitização. A grafitização é novamente um processo direto, feito em uma atmosfera inerte sob tensão. Existe muito pouca evolução de gás, onde a principal mudança se dá na estrutura física das fibras. Microcristais crescem em tamanho e a orientação preferida é o do plano basal do carbono. A fibra pode ser considerada como se transformando para uma estrutura de grafite. Os estiramentos das fibras pela aplicação de uma satisfatória tensão têm sido mostrados para ajudar na transformação e no aumento adicional do alinhamento e desta maneira do módulo. Devem ser tomados cuidados, porém, para evitar a quebra das fibras devido ao excesso de estiramento.Heat treatments above 1800 ° C should be considered as graphitization. Graffitiization is again a direct process, done in an inert atmosphere under tension. There is very little evolution of gas, where the main change is in the physical structure of the fibers. Microcrystals grow in size and the preferred orientation is that of the basal plane of carbon. The fiber can be considered as transforming to a graphite structure. Stretching of fibers by applying a satisfactory tension has been shown to aid in the transformation and further increase in alignment and in this way of the module. Care must be taken, however, to avoid breaking the fibers due to excessive stretching.

As altas temperaturas de processo de carbonização das fibras não levam somente a um alto módulo das fibras, mas também causam a 13/28 /„.4.The high temperatures of the carbonization process of the fibers not only lead to a high modulus of the fibers, but also cause 13/28 / “ .4.

ÇA RubL..J|L-----'%>. θ\ densificação da estrutura da fibra. A massa específica da fibra de carbono com < 4· \ a PAN como base variam entre 1,7-1,9 g.cm'3, dependendo da temperatura final do processo. A representação das propriedades para várias classes de fibras de PAN são dadas na Tabela 2. Ç A RubL..J | L ----- '%>. θ \ densification of the fiber structure. The specific mass of carbon fiber with <4 · \ a PAN as a base varies between 1.7-1.9 g.cm ' 3 , depending on the final process temperature. The representation of properties for various classes of PAN fibers are given in Table 2.

Tabela 2 - Propriedades das fibras de carbono a partir do PAN como precursor.Table 2 - Properties of carbon fibers from PAN as a precursor.

Propriedades properties Baixo módulo Low modulus Módulo Intermediário Intermediate Module Alto módulo High modulus Eixo Axis Resistência á tração (GPa) Tensile strength (GPa) 3,3 3.3 4-5 4-5 2,4 2.4 Módulo em tração (GPa) Traction module (GPa) 230 230 270 270 390 390 Elongação na ruptura (%) Elongation at break (%) 1,4 1.4 1,7-1,9 1.7-1.9 0,6 0.6 Condutividade térmica (Wm’1K’1)Thermal conductivity (Wm ' 1 K' 1 ) 8,5 8.5 - - 70 70 Resistividade elétrica (Qm) Electrical resistivity (Qm) 18 18 - - 9,5 9.5 CTE em 21°C (10'6K‘1)CTE at 21 ° C (10 ' 6 K' 1 ) 0,7 0.7 - - -0,5 -0.5 Transversal Transversal Módulo em tração (GPa) Traction module (GPa) 40 40 - - 21 21 CTE em 50°C (10’6K'1)CTE at 50 ° C (10 ' 6 K' 1 ) 10 10 - - 7 7 Corpo denso Dense body Massa específica (g m'3)Specific mass (g m ' 3 ) 1,76 1.76 1,8 1.8 1,9 1.9 Diâmetro da fibra (μηι) Fiber diameter (μηι) 7-8 7-8 6-7 6-7 4-6 4-6 Carbono (%) Carbon (%) 92 92 96 96 100 100

Matrizes CarbonosasCarbonaceous Matrices

A matriz de carbono pode ser derivada de piche, resina ou de gases carbonados. Dependendo da temperatura de carbonização/grafitização, da matriz de carbono pode variar desde amorfa até grafítica. Com o mais alto grau de grafitização da matriz de carbono maior é a resistência à oxidação e a condutividade térmica, mas maior é a fragilidade do material. Como as fibras usadas podem ser altamente grafíticas, tendem a ser mais resistentes à oxidação. A matriz de carbono limita a resistência à oxidação do compósito.The carbon matrix can be derived from tar, resin or carbonaceous gases. Depending on the carbonization / graphitization temperature, the carbon matrix can vary from amorphous to graphitic. With the highest degree of graphitization of the carbon matrix, greater is the resistance to oxidation and thermal conductivity, but greater is the fragility of the material. As the fibers used can be highly graphitic, they tend to be more resistant to oxidation. The carbon matrix limits the oxidation resistance of the composite.

A impregnação do carbono, na préforma é realizada por infiltração na préforma com substâncias contendo carbono na forma de líquidos ou gases, que são decompostos em produtos de carbono no corpo da préforma. Os gases utilizados normalmente são os hidrocarbonetos e as condições são de forma a assegurar a penetração no coração da préforma. Os líquidos utilizados são os piches, soluções de resina fenólicas, usadas por causa de sua fluência.The impregnation of carbon in the preform is carried out by infiltrating the preform with substances containing carbon in the form of liquids or gases, which are decomposed into carbon products in the body of the preform. The gases normally used are hydrocarbons and the conditions are in order to ensure penetration into the heart of the preform. The liquids used are piches, phenolic resin solutions, used because of their fluency.

14/2814/28

A técnica utilizada varia de fabricante para fabricante, tamanho do componente e aplicação.The technique used varies from manufacturer to manufacturer, component size and application.

A impregnação líquida pode ser realizada em autoclave ou por prensagem isostática a quente. As características a serem consideradas na 5 escolha do precursor da matriz são: viscosidade, porcentagem de carbono residual, microestrutura da matriz e possibilidade de formação de estruturas cristalinas. Para que haja uma boa impregnação, um bom molhamento do substrato se faz necessário para o preenchimento dos poros.The liquid impregnation can be carried out in an autoclave or by hot isostatic pressing. The characteristics to be considered when choosing the matrix precursor are: viscosity, percentage of residual carbon, matrix microstructure and the possibility of formation of crystalline structures. For a good impregnation, a good wetting of the substrate is necessary to fill the pores.

Após a cura o componente de impregnação é pirolisado no processo jo conhecido por carbonização, resultando em uma matriz de carbono residual. As matrizes carbonosas cujos precursores têm como ponto de partida materiais no estado sólido são representadas pelos polímeros termorrígidos e pelos piches termoplásticos. A Tabela 3 mostra os diversos tipos de matrizes termorrígidas e piches que podem ser utilizados na obtenção de carbonos, mostrando o 15 conteúdo em carbono na molécula e seu correspondente rendimento em carbono final após pirólise.After curing, the impregnation component is pyrolysed in the process known as carbonization, resulting in a residual carbon matrix. The carbonaceous matrices whose precursors have solid materials as a starting point are represented by thermoset polymers and thermoplastic niches. Table 3 shows the different types of thermoset matrices and niches that can be used to obtain carbons, showing the carbon content in the molecule and its corresponding yield in final carbon after pyrolysis.

Os carbonos obtidos pela pirólise em estado sólido de polímeros termorrígidos com alto grau de aromaticidade e reticulação formam estruturas denominadas “carbono vítreo”. A microestrutura da matriz produzida pela 20 pirólise de resinas termorrígidas (fenólica) varia de acordo com a temperatura de tratamento. Quando carbonizada separadamente a resina termorrígida ' forma carbono vítreo isotrópico. Por outro lado, quando tratadas na forma de compósitos, a presença das fibras, um material grafítico é observado na região da interface da matriz com as fibras.The carbons obtained by solid-state pyrolysis of thermoset polymers with a high degree of aromaticity and cross-linking form structures called "glassy carbon". The microstructure of the matrix produced by the 20 pyrolysis of thermoset (phenolic) resins varies according to the treatment temperature. When carbonized separately, the thermoset resin 'forms isotropic glassy carbon. On the other hand, when treated in the form of composites, the presence of the fibers, a graphical material is observed in the region of the matrix interface with the fibers.

Tabela 3 - Precursores orgânicos para matrizes carbonosas.Table 3 - Organic precursors for carbonaceous matrices.

MatrizMatrix

Conteúdo de carbonoCarbon content

TermorrígidasThermosetting

Polibenzimidazole (PBI) Poliarilacetileno (PAA) Álcool poli-furfural FenólicaPolybenzimidazole (PBI) Polyarylacetylene (PAA) Phenolic polyfurfural alcohol

1%11% 1

Rendimento em carbono após Pirólise (%)Carbon yield after pyrolysis (%)

15/2815/28

Epóxi-novolaca Epoxy-novolaca 74 74 55 55 Poliimida Polyimide 77 77 49 49 Piches Piches Alcatrão de Hulha Coal Tar 90 90 56 56 Alcatrão Vegetal Vegetable Tar 69 69 30 30 Petróleo (0,1 MPa) Oil (0.1 MPa) 88 88 50 50 Petróleo (10 MPa) Oil (10 MPa) 88 88 80 80 Mesofásico Mesophasic >90 > 90 85 85 Piches Sintéticos Synthetic Piches T ruxeno T ruxene 95 95 87 87 Isotruxeno Isotruxene 95 95 70 70 Blendas Resina/Piche Resin / Tar Blends Fenólica (60%) Phenolic (60%) 78 78 75 75 Álcool poli-furfural Polyfurfural alcohol - - 67 67 (60%) (60%) Epóxi Novolaca (60%) Novolac Epoxy (60%) - - 60 60

A característica mecânica mais evidente destes materiais é a fratura frágil. Salvo condições adequadas de deformação, não são grafitizáveis. O representante da classe de polímeros utilizado com mais frequência para obtenção de carbono vítreo é a resina fenólica. A Tabela 4 mostra as 5 mudanças nas propriedades das resinas fenólicas após pirólise a 1000°C.The most evident mechanical characteristic of these materials is the fragile fracture. Except for adequate deformation conditions, they are not graffiti. The representative of the class of polymers most frequently used to obtain glassy carbon is phenolic resin. Table 4 shows the 5 changes in the properties of phenolic resins after pyrolysis at 1000 ° C.

Tabela 4 - Propriedades da resina fenólica e do carbono vítreo obtido da pirólise da resina.Table 4 - Properties of phenolic resin and vitreous carbon obtained from resin pyrolysis.

Propriedade Property Moldada Molded Pirolisada a 1000°C Pyrolyzed at 1000 ° C Massa específica (gcnT3)Specific mass (gcnT 3 ) 1,25 1.25 1,50 1.50 Resistência à tração (MPa) Tensile strength (MPa) 60 60 110 110 Módulo de elasticidade Modulus of elasticity 4,0 4.0 30 30

A conversão térmica de piches em material grafítico pode ser sucintamente descrita como se segue. Nas temperaturas próximas a 55010 600°C o piche é transformado em um material infusível e termorrígido denominado semi-coque. Se a pirólise for realizada até 1000°C e a pressão atmosférica ocorre uma perda de massa equivalente a 50% do material de partida. Tratamentos térmicos superiores a essa temperatura fazem com as cadeias benzênicas continuamente se orientem em uma direção preferencialThe thermal conversion of niches into graphical material can be briefly described as follows. At temperatures close to 55010 600 ° C, the pitch is transformed into an infusible and thermoset material called semi-coke. If pyrolysis is carried out up to 1000 ° C and atmospheric pressure, a loss of mass equivalent to 50% of the starting material occurs. Heat treatments above this temperature cause benzene chains to continuously orient themselves in a preferred direction

16/28 vda t>Jo até temperaturas de 3000°C, exibindo a essa temperatura uma estrutura próxima à do cristal de grafite ideal.16/28 v da> Jo up to temperatures of 3000 ° C, exhibiting at that temperature a structure close to that of the ideal graphite crystal.

Resina de fenol-formadeído “fenólica” é a mais antiga de polímeros completamente sintéticos. A classe das resinas fenólicas é usada largamente 5 em várias aplicações em produtos como madeiras, pós de moldagem, e isolantes. Uso em laminados é relativamente a menor das aplicações para fenólicas, aproximadamente 7% do uso total. A maioria do uso de resinas fenólicas é como preenchedores ou reforços de materiais fibrosos onde a resina serve como ligante ou adesivo e uma pequena porcentagem de resina fenólica é utilizada em recobrimentos protetivos. As resinas fenólicas são usualmente divididas em duas classes; Resol e Novolac, também conhecidas como primeiro e segundo estágio das resinas, respectivamente. As resinas do tipo Resol são curadas pelo aquecimento ou pela adição de ácidos (ou ambas). O aquecimento para a cura entre 130 e 200°C é o mais importante método usado na aplicação em compósitos. As reações de cura são de condensação, com a liberação de um mol de água (ou formaldeído) para cada nova ligação formada. A química do processo de cura é complexa porque existem muitas estruturas presentes e muitas reações competindo, cada uma é influenciada, pela condição da reação e outras variáveis.“Phenolic” phenol-formadehyde resin is the oldest of completely synthetic polymers. The phenolic resin class is widely used in various applications in products such as wood, molding powders, and insulators. Use in laminates is relatively less of the applications for phenolics, approximately 7% of total use. The majority of the use of phenolic resins is as fillers or reinforcements of fibrous materials where the resin serves as a binder or adhesive and a small percentage of phenolic resin is used in protective coatings. Phenolic resins are usually divided into two classes; Resol and Novolac, also known as first and second stage of resins, respectively. Resol-type resins are cured by heating or by adding acids (or both). Heating for curing between 130 and 200 ° C is the most important method used in application in composites. The healing reactions are condensation, with the release of one mole of water (or formaldehyde) for each new bond formed. The chemistry of the healing process is complex because there are many structures present and many competing reactions, each of which is influenced by the condition of the reaction and other variables.

Existem duas reações importantes no processo de cura. A primeira é a reação do grupo metilol com as cadeias de hidrogênio (orto ou para) com outras moléculas para dar uma ponte de metileno ligada entre os dois anéis e a segunda é a reação dos dois grupos metilol para formar o éter dibenzil ligado entre os dois anéis. Para curas térmicas abaixo 170°C, essas duas reações ocorrem simultaneamente. Em altas temperaturas a ligação éter é convertida para a ligação metileno pela perda de formaldeído. A ligação do metileno é um produto mais estável termodinamicamente, que é considerada a mais importante ligação desenvolvida durante a cura. A cura do resol também pode ocorrer em baixas temperaturas na presença de ácido catalítico, mas esta rota não é comercialmente importante.There are two important reactions in the healing process. The first is the reaction of the methylol group with the hydrogen chains (ortho or para) with other molecules to give a bonded methylene bridge between the two rings and the second is the reaction of the two methylol groups to form the linked dibenzyl ether between the two rings. For thermal cures below 170 ° C, these two reactions occur simultaneously. At high temperatures the ether bond is converted to the methylene bond by the loss of formaldehyde. The methylene bond is a more thermodynamically stable product, which is considered the most important bond developed during curing. Resol cure can also occur at low temperatures in the presence of catalytic acid, but this route is not commercially important.

17/2817/28

γ,λ Rub:γ, λ Rub:

Ο tratamento térmico de precursores poliméricos para formação de carbono vítreo mostra variações na massa específica, apresenta encolhimento e perda de massa em função da temperatura. Para uma resina fenólica típica, ocorre uma perda de massa equivalente a 45%/peso, representando um 5 encolhimento volumétrico de 40%/volume. A degradação térmica de resinas fenólicas é convenientemente dividida em três estágios, considerando a perda de massa e mudanças no volume. No primeiro estágio, (até 300°C) variações de massa ocorrem principalmente devido à perda de água e monômeros não reagidos, fenol e formaldeído, que ficam aprisionados durante a cura, além do jo oxigênio na forma de CO e CO2. Entre 300-600°C as principais reações químicas de decomposição e rearranjo estrutural ocorrem com a evolução de hidrocarbonetos de baixo peso molecular, éteres, álcoois e cetonas. A taxa de aquecimento neste estágio deve ser baixa (5-15°C/hora), para permitir a difusão dos produtos de decomposição através da matriz sem destruir a 15 integridade do compósito. Acima de 600°C a evolução de produtos voláteis está quase completa e a taxa de aquecimento pode ser aumentada sem causar danos estruturais ao compósito. Particularmente para as resinas fenólicas, a pirólise faz com que os voláteis sejam liberados com maior intensidade a temperaturas de 500°C, sendo dominada principalmente por hidrocarbonetos 20 de baixo peso molecular, e oxi-hidrocarbonetos.Ο heat treatment of polymeric precursors for the formation of glassy carbon shows variations in specific mass, shrinks and loss of mass as a function of temperature. For a typical phenolic resin, a loss of mass equivalent to 45% / weight occurs, representing a volumetric shrinkage of 40% / volume. The thermal degradation of phenolic resins is conveniently divided into three stages, considering the loss of mass and changes in volume. In the first stage, (up to 300 ° C) mass variations occur mainly due to the loss of water and unreacted monomers, phenol and formaldehyde, which are trapped during curing, in addition to oxygen in the form of CO and CO 2 . Between 300-600 ° C the main chemical reactions of decomposition and structural rearrangement occur with the evolution of low molecular weight hydrocarbons, ethers, alcohols and ketones. The heating rate in this stage must be low (5-15 ° C / hour), to allow the decomposition products to diffuse through the matrix without destroying the integrity of the composite. Above 600 ° C the evolution of volatile products is almost complete and the heating rate can be increased without causing structural damage to the composite. Particularly for phenolic resins, pyrolysis causes volatiles to be released with greater intensity at temperatures of 500 ° C, being dominated mainly by low molecular weight hydrocarbons 20 and oxyhydrocarbons.

A carbonização é realizada em atmosfera inerte, com fluxo de gases de nitrogênio ou argônio para prevenir a oxidação da fibra e da matriz de carbono recém formado e permitir a retirada dos produtos da decomposição. A taxa de aquecimento depende da forma e tamanho do compósito. Ciclos de 25 carbonização lentos são necessários para minimizar os efeitos da evolução dos gases do líquido impregnante. A análise termogravimétrica do precursor, em atmosfera inerte, é uma boa referência para a determinação do ciclo de aquecimento ideal na carbonização, de forma a diminuir as tensões causadas pela retração da matriz que podem causar danos às fibras.Carbonization is carried out in an inert atmosphere, with a flow of nitrogen or argon gases to prevent oxidation of the fiber and the newly formed carbon matrix and allow the removal of the products from decomposition. The rate of heating depends on the shape and size of the composite. Slow carbonization cycles are necessary to minimize the effects of the evolution of the gases in the impregnating liquid. The thermogravimetric analysis of the precursor, in an inert atmosphere, is a good reference for determining the ideal heating cycle in carbonization, in order to reduce the stresses caused by the retraction of the matrix that can cause damage to the fibers.

Durante a carbonização, a porosidade é aumentada de =3% para s25% e a massa específica é diminuída de 1,5 g.cnT3 para 1,3 g.cnT3. Para que esses 18/28zxDuring carbonization, the porosity is increased from = 3% to s25% and the specific gravity is decreased from 1.5 g.cnT 3 to 1.3 g.cnT 3 . So that these 18/28 zx

-4? η Α<’ < ΑιΟ¢.-4? η Α <’<ΑιΟ ¢.

'’T-v vedados não sejam mantidos se fazem necessários tratamentos térmicos para *<7?·$ -ν'5' uma densificação do composite C/C. A densificação é normalmente realizada em vácuo ou por impregnação do compósito carbonizado com resina ou piche sob pressão, seguido de nova carbonização. Um ganho de massa ocorre em cada ciclo de impregnação seguido de perda em cada subsequente carbonização, de acordo com a porcentagem de carbono residual do líquido impregnante.'' Sealed TVs are not maintained if heat treatments are required for * <7? · $ -Ν ' 5 ' a densification of the composite C / C. Densification is usually carried out in a vacuum or by impregnating the carbonized composite with resin or tar under pressure, followed by new carbonization. A mass gain occurs in each impregnation cycle followed by loss in each subsequent carbonization, according to the percentage of residual carbon in the impregnating liquid.

Quando uma resina é tratada termicamente em um compósito com fibras de carbono, grafites anisotrópicos podem ser detectados através da difração de raios X e de microscopia ótica. Em temperaturas abaixo de 1000°C esse fenômeno começa a aparecer em algumas regiões da matriz. Acima de 2200°C essas regiões anisotrópicas gradativamente vão adotando a estrutura do cristal de grafite, até que em 2800°C a matriz é essencialmente grafítica. Esse é o processo de grafitização.When a resin is heat treated in a carbon fiber composite, anisotropic graphites can be detected through X-ray diffraction and optical microscopy. At temperatures below 1000 ° C this phenomenon begins to appear in some regions of the matrix. Above 2200 ° C these anisotropic regions gradually adopt the structure of the graphite crystal, until at 2800 ° C the matrix is essentially graphitic. This is the graffiti process.

A literatura patentária contempla exemplos de tecnologias correlatas à da presente invenção, sem, contudo, antecipá-la ou sequer sugeri-la.The patent literature includes examples of technologies related to the present invention, without, however, anticipating or even suggesting it.

O documento EP 6696144 descreve uma modificação do processo CVD convencional para deposição de carbono, segundo o qual um gás halogênio ou um gás de um composto de halogênio é introduzido no gás de carbono, que deve ser dissociado para deposição de carbono. Em virtude da introdução do halogênio ou do composto de halogênio, verificou-se ser possível a formação de diamante ou filmes de i-carbono e, além disso, controlar facilmente as características dos filmes, tais como a transmissividade óptica, condutividade elétrica e dureza, através do controle das condições de introdução de halogênio. Aparelhos CVD para a realização do processo e várias aplicações de filmes finos de carbono também são descritos.EP 6696144 describes a modification of the conventional CVD process for carbon deposition, whereby a halogen gas or a gas of a halogen compound is introduced into the carbon gas, which must be dissociated for carbon deposition. Due to the introduction of halogen or the halogen compound, it was found to be possible to form diamond or i-carbon films and, in addition, to easily control the characteristics of the films, such as optical transmissivity, electrical conductivity and hardness, by controlling the conditions for introducing halogen. CVD devices for carrying out the process and various applications of thin carbon films are also described.

O documento TW 583077, intitulado “A manufacture method of hollow composite cyllinders with a shingle angle”, revela um método de manufatura composites com cilindros ocos. Os composites são feitos de resina fenólica reforçada fibra do carbono. Fibras do carbono nos composites de cilindros ocos são arranjadas em um ângulo no plano entre 30 graus e 60 graus. Os prepregsTW 583077, entitled “A manufacture method of hollow composite cyllinders with a shingle angle”, reveals a method of manufacturing composites with hollow cylinders. The composites are made of carbon fiber reinforced phenolic resin. Carbon fibers in hollow cylinder composites are arranged at an angle in the plane between 30 degrees and 60 degrees. The prepregs

19/2819/28

Z Rs—Z Rs—

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fenólicos reforçados com fibra carbono são cortados em partes em forma de’ leque e laminados para dar forma a um conjunto interno de lâminas. Então, este conjunto interno de lâminas é embalado em um molde de metal. O material então é moldado a quente com pressão superior a 140.6 kg/cm2, sendo então usado para solidificação do conjunto, produzindo os compósitos de cilindros ocos com um ângulo planejado. Os compósitos com cilindros ocos proporcionam propriedades térmicas e mecânicas excelentes.carbon fiber reinforced phenolics are cut into fan-shaped parts and laminated to form an internal set of blades. Then, this internal set of blades is packaged in a metal mold. The material is then hot molded with a pressure greater than 140.6 kg / cm 2 , and then used to solidify the set, producing hollow cylinder composites at a planned angle. Hollow cylinder composites provide excellent thermal and mechanical properties.

O documento RU 2208000, intitulado “Composite manufacture process”, revela um método para preparar uma quantidade especifica de deslizamento jo pela mistura do enchimento dispersado na pasta de polímero, o deslizamento F que está sendo usado mais para encher o prepreg carbonizado. Depois disso, são impostas condições simultâneas de pressão externa de 100 kPa e aquecimento de 160-200°C, em combinação com vibrações com amplitude 110 milímetros e frequências 3-10 hertz durante 30-60 segundos. O prepreg é 15 submetido a um tratamento térmico de 200-400°C para endurecimento ou carbonização. A última operação é realizada por 1-2 horas, em temperaturas de 800 a 1100°C, com taxa de aumento da temperatura não superior a 2°C/min. O preenchedor para o deslizamento é fluoro-plástico pulverizado adicionado em uma quantidade 3 a 10% em peso, e deve ter o tamanho de 20 partícula não excedendo as dimensões das cavidades do tubo do prepreg.Document RU 2208000, entitled “Composite manufacture process”, discloses a method for preparing a specific amount of glide by mixing the dispersed filler in the polymer slurry, glide F which is being used more to fill the carbonized prepreg. After that, simultaneous conditions of external pressure of 100 kPa and heating of 160-200 ° C are imposed, in combination with vibrations with amplitude 110 mm and frequencies 3-10 hertz for 30-60 seconds. The prepreg is subjected to a heat treatment of 200-400 ° C for hardening or carbonization. The last operation is carried out for 1-2 hours, at temperatures from 800 to 1100 ° C, with a rate of temperature increase not exceeding 2 ° C / min. The filler for the slip is powdered fluoro-plastic added in an amount of 3 to 10% by weight, and must have the size of 20 particles not exceeding the dimensions of the prepreg tube cavities.

O documento US 2007/132128, intitulado “Method of producing carbon ’ fibers, and methods of making protective clothing and a filter module, revela um processo para a obtenção de fibras de carbono porosas úteis na preparação de filtros. Referido processo envolve girar uma mistura de dois 25 polímeros: um a) polímero baseado em poliacrilonitrila (PAN); e b) um polímero orgânico carbonizável que forma uma menor quantidade de resíduo de carbonização do que a carbonização de a).US 2007/132128, entitled “Method of producing carbon’ fibers, and methods of making protective clothing and a filter module, reveals a process for obtaining porous carbon fibers useful in preparing filters. This process involves spinning a mixture of two 25 polymers: one a) polymer based on polyacrylonitrile (PAN); and b) a carbonisable organic polymer that forms a smaller amount of carbonization residue than the carbonization of a).

O documento DE 19852159, intitulado “Verfahren zur Herstellung von faserverstãrkten, thermoplastischen Hohlkõrpern, revela um processo para a 30 obtenção de compósitos ocos de matriz termoplástica reforçados com fibras. Referido processo compreende a extrusão integrada do enrolamento em que aDE 19852159, entitled “Verfahren zur Herstellung von faserverstãrkten, thermoplastischen Hohlkõrpern, discloses a process for obtaining hollow fiber-reinforced thermoplastic matrix composites. Said process comprises the integrated extrusion of the winding in which the

128 .Q' fibra e o plástico pré-consolidado dentro de um bocal cônico são colocadas no núcleo de giro do molde. Isso dá forma a um produto da alta qualidade e o derretimento no bocal evita toda a necessidade para o reaquecimento subsequente do produto.128 .Q 'fiber and the pre-consolidated plastic inside a conical nozzle are placed in the turning core of the mold. This forms a high quality product and the melt in the nozzle avoids any need for subsequent reheating of the product.

O documento WO 2009/049981, intitulado “Hollow carbon fibres and Method for the production thereof’, revela um método contínuo para produzir as fibras ocas de carbono utilizáveis como fibras do reforço para compósitos. Referido método compreende o tratamento de um precursor de fibra de carbono em um equipamento com ondas eletromagnéticas de alta-frequência.WO 2009/049981, entitled “Hollow carbon fibers and Method for the production thereof”, discloses a continuous method for producing hollow carbon fibers usable as reinforcement fibers for composites. Said method comprises the treatment of a carbon fiber precursor in equipment with high-frequency electromagnetic waves.

jo O documento US 6,583,075, intitulado “Dissociable multicomponent fibers containing a polyacrylonitrile componente”, revela um microfilamento estabilizado de carbono usado na preparação de cordas, filtros e compósitos. Referido microfilamentos compreendem ao menos duas composições fusíveis, sendo ao menos uma delas de um polímero fugitivo. A seção transversal do referido microfilamento é em forma de cunha, multi-lobal, sextavada ou retangular.jo US 6,583,075, entitled “Dissociable multicomponent fibers containing a polyacrylonitrile component”, discloses a stabilized carbon microfilament used in the preparation of strings, filters and composites. Such microfilaments comprise at least two fusible compositions, at least one of which is a fugitive polymer. The cross section of said microfilament is wedge-shaped, multi-lobal, hexagonal or rectangular.

O artigo intitulado “Influência do Grau de Estabilização das Fibras de PAN na Obtenção de Fibras de β—SiC”, dos mesmos inventores e publicado nos Anais do Congresso Brasileiro de Cerâmica, 03-06 de Junho de 2007, 20 descreve a conversão de fibras de PAN em fibras de SiC por reações em altas temperaturas. Para suportarem as altas temperaturas as fibras passaram por um processo de estabilização prévia. O SiC formado na superfície da fibra foi produzido por meio da reação de SiO(g) com o carbono, pela decomposição das moléculas de SiO e a subsequente inserção de Si na estrutura das lamelas de carbono, formando unidades tetraédricas (tipo SÍC-3C). As fibras de β-SiC foram obtidas pela reação de conversão da PANox, realizada em altas temperaturas e atmosfera rica em SiO. A caracterização microestrutural foi realizada por MEV e difração de raios X. Esse documento, no entanto, não descreve detalhadamente como foi realizado o processo para obtenção das fibras ocas, não sendo suficiente para reprodução da presente invenção, nem /28The article entitled “Influence of the Degree of Stabilization of PAN Fibers in Obtaining β — SiC Fibers”, by the same inventors and published in the Annals of the Brazilian Ceramics Congress, 03-06 June 2007, 20 describes the conversion of fibers of PAN on SiC fibers by reactions at high temperatures. To withstand the high temperatures, the fibers underwent a previous stabilization process. The SiC formed on the fiber surface was produced by the reaction of SiO (g) with carbon, by the decomposition of SiO molecules and the subsequent insertion of Si in the structure of the carbon lamellae, forming tetrahedral units (type SÍC-3C) . The β-SiC fibers were obtained by the PANox conversion reaction, carried out at high temperatures and an atmosphere rich in SiO. The microstructural characterization was performed by SEM and X-ray diffraction. This document, however, does not describe in detail how the process for obtaining the hollow fibers was carried out, not being sufficient for reproduction of the present invention, nor / 28

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individualmente, nem em combinação com outros documentos e, portanto, não antecipa a invenção.individually or in combination with other documents and therefore does not anticipate the invention.

O pedido de patente co-pendente, dos mesmos inventores e intitulado “Material polimérico com gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal, seus Usos, Equipamento e Processo para sua obtenção”, revela meios pelos quais um material polimérico tem suas propriedades físicoquímicas alteradas, formando um gradiente ao longo de sua seção transversal. O material polimérico ou um compósito contendo o mesmo, que são produtos do referido pedido de patente co-pendente, são os precursores usados na jo presente invenção para a obtenção de compósitos de matriz de carbono reforçados com materiais tubulares de C. Na presente invenção, o referido precursor é carbonizado formando materiais tubulares de C, como fibras ocas de C e/ou compósitos contendo as mesmas.The co-pending patent application, from the same inventors and entitled “Polymeric material with a gradient of physical-chemical property in its cross section, its Uses, Equipment and Process for obtaining it”, reveals the means by which a polymeric material has its physicochemical properties altered, forming a gradient along its cross section. The polymeric material or a composite containing it, which are products of the said co-pending patent application, are the precursors used in the present invention for obtaining carbon matrix composites reinforced with C tubular materials. said precursor is carbonized to form C tubular materials, such as hollow C fibers and / or composites containing them.

Os produtos da presente invenção oferecem diversas vantagens 15 técnicas e econômicas. Dentre elas, a vantagem de ter como resultado final a conversão em C/C com a mesma disposição da matriz e reforço original (compósito precursor), sendo o processo de obtenção simples e direto, não requerendo o uso de precursores com misturas de polímeros ou outras sofisticações técnicas de difícil implementação e/ou alto custo.The products of the present invention offer several technical and economic advantages. Among them, the advantage of having as a final result the conversion into C / C with the same disposition of the matrix and original reinforcement (precursor composite), being the process of obtaining simple and direct, not requiring the use of precursors with mixtures of polymers or other technical sophistications that are difficult to implement and / or high cost.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que para o depositante a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica, apresentando também aplicabilidade industrial.From what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present invention, so that for the depositor the solution proposed here has novelty and inventive activity in view of the state of the art, also presenting industrial applicability.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

É um dos objetos da presente invenção proporcionar materiais tubulares de C. Referidos materiais incluem fibras e/ou lâminas de C, ambos podendo se apresentar em uma matriz cerâmica e/ou polimérica, formando um compósito.It is one of the objects of the present invention to provide tubular C materials. Such materials include C fibers and / or sheets, both of which can be presented in a ceramic and / or polymeric matrix, forming a composite.

Os produtos da invenção são dotados de propriedades físico-químicas peculiares, sendo úteis em diversas aplicações, incluindo a produção deThe products of the invention are endowed with peculiar physical-chemical properties, being useful in several applications, including the production of

22/28 compósitos contendo materiais tubulares de C. De especial interesse na presente invenção, sendo ainda outros objetos da invenção são revelados compósitos compreendendo C reforçado com fibras ocas de C.22/28 composites containing C tubular materials. Of particular interest in the present invention, other objects of the invention are disclosed composites comprising C reinforced with hollow C fibers.

É outro dos objetos da presente invenção proporcionar compósitos contendo fibras e/ou lâminas de C que apresentam a mesma disposição da matriz e reforço original.It is another object of the present invention to provide composites containing C fibers and / or sheets that have the same layout as the matrix and original reinforcement.

É um outro dos objetos da presente invenção proporcionar usos de materiais tubulares de C. Em um aspecto preferencial, sendo portanto outro dos objetos da presente invenção, é provido o uso de materiais tubulares de C jo e/ou de compósitos contendo os mesmos na preparação de materiais para isolamento térmico e/ou proteção térmica. Em um outro aspecto preferencial, sendo portanto outro dos objetos da presente invenção, é provido o uso de materiais tubulares de C e/ou de compósitos contendo os mesmos na preparação de catalisadores. Em um aspecto preferencial, sendo portanto outro 15 dos objetos da presente invenção, é provido o uso de materiais tubulares de C e/ou de compósitos contendo os mesmos na preparação de sistemas de modulação de fluxo de substâncias químicas, em estado líquido, gasoso e/ou plasma. Em um outro aspecto preferencial, sendo portanto outro dos objetos da presente invenção, é provido o uso de materiais tubulares de C e/ou de 20 compósitos contendo os mesmos na preparação de elementos resistivos para equipamentos que operam em elevada temperatura ou elevado gradiente de temperatura, ou que proporcionem variações na temperatura.It is another object of the present invention to provide uses of C tubular materials. In a preferred aspect, therefore being another of the objects of the present invention, the use of C jo tubular materials and / or composites containing them in the preparation is provided. of materials for thermal insulation and / or thermal protection. In another preferred aspect, therefore being another object of the present invention, the use of C tubular materials and / or composites containing them in the preparation of catalysts is provided. In a preferred aspect, therefore being another of the objects of the present invention, the use of C tubular materials and / or composites containing them is provided in the preparation of flow modulation systems for chemical substances, in liquid, gaseous and / or plasma. In another preferential aspect, therefore being another of the objects of the present invention, the use of C and / or 20 composites tubular materials containing them is provided in the preparation of resistive elements for equipment that operate at high temperature or high temperature gradient. , or that provide variations in temperature.

É um dos objetos da presente invenção proporcionar processos para a obtenção de materiais tubulares de C. Os processos da presente invenção 25 fazem uso de um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal. É portanto outro dos objetos da invenção proporcionar processos para a conversão do referido precursor em C, para a obtenção de materiais tubulares de C. Em um aspecto preferencial, o referido processamento é conduzido por reações de 30 carbonização.It is one of the objects of the present invention to provide processes for obtaining C tubular materials. The processes of the present invention 25 make use of a precursor that is a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section. It is therefore another object of the invention to provide processes for converting said precursor to C, for obtaining C tubular materials. In a preferred aspect, said processing is conducted by carbonization reactions.

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Em um outro aspecto, sendo, portanto, outro dos objetos da invenção, é proporcionado um processo a obtenção materiais tubulares de C e/ou de compósitos contendo os mesmos, que compreende as etapas de:In another aspect, being, therefore, another of the objects of the invention, a process is provided to obtain tubular C and / or composites materials containing them, which comprises the steps of:

- adicionar um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal a um reator;- add a precursor that is a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section to a reactor;

- impor condições de temperatura e/ou atmosfera para proporcionar a carbonização do referido precursor, formando C. Preferencialmente, o referido precursor compreende fibras de poliacrilonitrila (PAN) dotadas de gradiente de estabilização oxidativa radial, de massa específica de 1,36 g/cm3 a 1,42 g/cm3. jo Preferencialmente, o referido tratamento térmico é conduzido em temperaturas F entre 700 e 1400°C.- impose temperature and / or atmosphere conditions to provide the carbonization of said precursor, forming C. Preferably, said precursor comprises polyacrylonitrile fibers (PAN) with a radial oxidative stabilization gradient, with a specific mass of 1.36 g / cm 3 to 1.42 g / cm 3 . jo Preferably, said heat treatment is carried out at temperatures F between 700 and 1400 ° C.

Esses e outros objetos da invenção serão melhor compreendidos e valorizados a partir da descrição detalhada da invenção.These and other objects of the invention will be better understood and valued from the detailed description of the invention.

Breve Descrição das FigurasBrief Description of the Figures

A figura 1 apresenta um difratograma de raios X de um precursor preferencial da invenção na forma de fibra, onde as abscissas representam o ângulo de difração de Bragg (20) e as ordenadas representam a intensidade em cps.Figure 1 shows an X-ray diffractogram of a preferred precursor of the invention in the form of fiber, where the abscissae represent the Bragg diffraction angle (20) and the ordinates represent the intensity in cps.

A figura 2 apresenta curvas de carbonização em um gráfico em que nas abscissas é indicado o tempo em minutos (T) e nas ordenadas é indicada a temperatura em graus Celsius (°C). São apresentadas duas diferentes condições de rampas de aquecimento e resfriamento, onde ♦ indica a curva 1 e —indica a curva 2.Figure 2 shows carbonization curves in a graph in which the time in minutes (T) is indicated in the abscissa and the temperature in degrees Celsius (° C) in the ordinates. Two different heating and cooling ramp conditions are shown, where ♦ indicates curve 1 and —indicates curve 2.

A figura 3 apresenta uma fotomicrografia em zoom de compósitos preferenciais da invenção, contendo fibras ocas de carbono.Figure 3 shows a zoom photomicrograph of preferred composites of the invention, containing hollow carbon fibers.

A figura 4 apresenta outra fotomicrografia em zoom vista geral de compósitos preferenciais da invenção, contendo fibras ocas de carbono.Figure 4 shows another zoom photomicrograph, an overview of preferred composites of the invention, containing hollow carbon fibers.

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Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

A presente invenção proporciona materiais tubulares de C. Referidos materiais incluem fibras e/ou lâminas de C, ambos podendo se apresentar em uma matriz cerâmica e/ou polimérica, formando um compósito.The present invention provides C tubular materials. Said materials include C fibers and / or sheets, both of which can be presented in a ceramic and / or polymeric matrix, forming a composite.

Para fins da presente invenção as expressões “material tubular”, “fibra oca”, “microfibra tubular”, “microtubo”, “hollow fiber”, “microtube”, “tubular microfiber”, “tubular silicon carbide”, devem ser interpretadas como sinônimos e/ou expressões intercambiáveis, se caraterizando por compreender uma região oca (vazia) central e uma região sólida externa em forma tubular, de o seção circular, elíptica ou alongada até o ponto de ser considerada uma lâmina oca.For the purposes of the present invention the terms "tubular material", "hollow fiber", "tubular microfiber", "microtube", "hollow fiber", "microtube", "tubular microfiber", "tubular silicon carbide", should be interpreted as synonyms and / or interchangeable expressions, characterized by comprising a central hollow (empty) region and a solid external region in tubular shape, from circular, elliptical or elongated section to the point of being considered a hollow blade.

O conceito inventivo comum aos diversos objetos da invenção consiste na completa ou quase completa conversão em carbono (C) de um precursor consistindo de um material polimérico dotado de gradiente de propriedade 15 físico-química em sua seção transversal. A característica do precursor dotado do referido gradiente faz com que a conversão do precursor em C proporcione a obtenção de um material tubular de C.The inventive concept common to the various objects of the invention consists of the complete or almost complete conversion to carbon (C) of a precursor consisting of a polymeric material with a gradient of physicochemical property in its cross section. The characteristic of the precursor provided with the said gradient makes the conversion of the precursor to C provide the obtainment of a tubular material of C.

Os produtos da invenção são dotados de propriedades físico-químicas peculiares, sendo úteis em diversas aplicações, incluindo a produção de 20 compósitos contendo materiais tubulares de carbono (C). De especial interesse na presente invenção, são revelados compósitos compreendendo C reforçado com fibras ocas de C. Os compósitos da invenção contendo fibras e/ou lâminas de C apresentam a mesma disposição da matriz e reforço original.The products of the invention are endowed with peculiar physical-chemical properties, being useful in several applications, including the production of 20 composites containing tubular carbon materials (C). Of particular interest in the present invention, composites comprising C reinforced with hollow C fibers are disclosed. The composites of the invention containing C fibers and / or sheets have the same layout as the matrix and original reinforcement.

A presente invenção proporciona também diversos usos de materiais tubulares de C. Em um aspecto preferencial, os produtos da invenção são úteis na preparação de materiais para isolamento térmico e/ou proteção térmica. Em um aspecto preferencial, dada sua elevadíssima área superficial, os produtos da invenção são úteis na preparação de catalisadores. Em um aspecto preferencial, os produtos da invenção são úteis na preparação de sistemas de modulação de fluxo de substâncias químicas, em estado líquido, gasoso e/ou plasma. Em um aspecto preferencial, os produtos da invenção são úteis naThe present invention also provides several uses for C tubular materials. In a preferred aspect, the products of the invention are useful in the preparation of materials for thermal insulation and / or thermal protection. In a preferred aspect, given their extremely high surface area, the products of the invention are useful in the preparation of catalysts. In a preferred aspect, the products of the invention are useful in the preparation of flow modulation systems for chemical substances, in liquid, gaseous and / or plasma. In a preferred aspect, the products of the invention are useful in

25/28 ςύ Rub preparação na preparação de elementos resistivos para equipamentos que operam em elevada temperatura ou elevado gradiente de temperatura, ou que proporcionem variações na temperatura.25/28 ςύ Rub preparation in the preparation of resistive elements for equipment that operate at high temperature or high temperature gradient, or that provide variations in temperature.

A presente invenção proporciona também processos para a obtenção de materiais tubulares de C. Os processos da presente invenção envolvem a carbonização de um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal.The present invention also provides processes for obtaining C tubular materials. The processes of the present invention involve the carbonization of a precursor which is a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section.

Em uma concretização preferencial, o processo da invenção compreende as etapas de:In a preferred embodiment, the process of the invention comprises the steps of:

- adicionar a um reator um precursor que é um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal; e- add to a reactor a precursor that is a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section; and

- impor condições de temperatura e/ou atmosfera para proporcionar a carbonização do referido precursor, formando áreas tubulares.- impose temperature and / or atmosphere conditions to provide the carbonization of said precursor, forming tubular areas.

Preferencialmente, o referido precursor compreende fibras de poliacrilonitrila (PAN) dotadas de gradiente de estabilização oxidativa radial, de massa específica de 1,36 g/cm3 a 1,42 g/cm3. Preferencialmente, o referido tratamento térmico é conduzido em temperaturas entre 700 e 1400°CPreferably, said precursor comprises polyacrylonitrile (PAN) fibers provided with a radial oxidative stabilization gradient, with a specific mass of 1.36 g / cm 3 to 1.42 g / cm 3 . Preferably, said heat treatment is carried out at temperatures between 700 and 1400 ° C

Os processos da invenção proporcionam a obtenção de materiais 20 tubulares e/ou compósitos contendo os mesmos, sendo inovadores por suas características. Tais produtos apresentam características próprias e úteis em diversas aplicações, sendo também objetos da presente invenção.The processes of the invention provide obtaining tubular materials and / or composites containing them, being innovative for their characteristics. Such products have their own characteristics and are useful in several applications, and are also objects of the present invention.

Materiais compósitos C-C são muito úteis em aplicações em altas temperaturas, como na indústria aeroespacial e na geração de energia sem 25 fusão. Na fabricação de compósitos, a escolha da fibra é principalmente baseada nos requisitos de projeto do produto final. A estabilidade térmica destas fibras em temperaturas elevadas é fator crucial no desempenho do compósito, tendo em vista o uso dos mesmos em altas temperaturas. O comportamento do compósito é resultado da combinação do comportamento e 30 características dos 3 componentes que o formam: a fibra ou elemento de reforço; a matriz; e a interface fibra/matriz. O processo da presente invenção, éC-C composite materials are very useful in high temperature applications, such as in the aerospace industry and in non-fusion power generation. In the manufacture of composites, the choice of fiber is mainly based on the design requirements of the final product. The thermal stability of these fibers at elevated temperatures is a crucial factor in the performance of the composite, in view of their use at high temperatures. The behavior of the composite is the result of a combination of the behavior and 30 characteristics of the 3 components that form it: the fiber or reinforcement element; The matrix; and the fiber / matrix interface. The process of the present invention, is

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conduzido por meio da simples carbonização de um precursor que é urrimaterial polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal. Tal processo tem como característica a manutenção da estrutura da matriz e reforço do precursor original, proporcionando diversas vantagens técnicas e/ou econômicas.conducted through the simple carbonization of a precursor that is polymeric urrimaterial endowed with a gradient of physical-chemical properties in its cross section. Such process is characterized by maintaining the structure of the matrix and strengthening the original precursor, providing several technical and / or economic advantages.

Os exemplos mostrados a seguir têm o intuito somente de exemplificar algumas das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar o escopo da mesma.The examples shown below are intended only to exemplify some of the numerous ways of carrying out the invention, however without limiting its scope.

Exemplo 1 - Processo de Obtenção de Compósito C-C Reforçado com Fibras Ocas de CExample 1 - Process for Obtaining C-C Composite Reinforced with Hollow C Fibers

Em uma concretização preferencial da invenção, o processo da invenção é utilizado para a obtenção de um compósito C reforçado com fibras ocas de C (C fibra oca/C), utilizando como precursor um compósito compreendendo uma resina fenólica como matriz reforçada com um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal. O referido material polimérico usado nesta concretização preferencial compreende fibras de poliacrilonitrila (PAN) dotadas de gradiente de estabilização radial, com massa específica de 1,39 g/cm3 (a faixa preferencial de massa específica dos precursores da invenção é entre 1,36g/cm3 e 1,42 g/cm3). Como apresenta a figura 1, o precursor (fibra) usado nesta concretização da invenção apresenta um pequeno desvio do pico 20=17° (ombro). Essa diferença é comprovada pelo valor da massa específica e indica sua estabilização parcial, ou seja, um gradiente radial de estabilização oxidativa.In a preferred embodiment of the invention, the process of the invention is used to obtain a composite C reinforced with hollow C fibers (C hollow fiber / C), using as a precursor a composite comprising a phenolic resin as a matrix reinforced with a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section. Said polymeric material used in this preferred embodiment comprises polyacrylonitrile (PAN) fibers with a radial stabilization gradient, with a specific mass of 1.39 g / cm 3 (the preferred mass range of the precursors of the invention is between 1.36 g / cm 3 and 1.42 g / cm 3 ). As shown in figure 1, the precursor (fiber) used in this embodiment of the invention has a small deviation from the peak 20 = 17 ° (shoulder). This difference is confirmed by the specific mass value and indicates its partial stabilization, that is, a radial gradient of oxidative stabilization.

A referida concretização preferencial do processo da invenção se desenvolve a partir da carbonização do compósito precursor:Said preferred embodiment of the process of the invention develops from the carbonization of the precursor composite:

O compósito precursor, formado a partir das fibras com gradiente radial de estabilização oxidação e impregnação com resina fenólica, foi curado respeitando as temperaturas de cura convencionais. As temperaturas máximas 30 preferenciais para a cura do compósito foram de 180-220°C para a resina CR2830, pois acima dessa temperatura existe a formação de produtos deThe precursor composite, formed from fibers with a radial gradient of oxidation stabilization and impregnation with phenolic resin, was cured respecting conventional curing temperatures. The maximum preferred temperatures for curing the composite were 180-220 ° C for CR2830 resin, since above that temperature there is the formation of

27/28 decomposição derivados de alcatrão. O compósito curado é então submetido ao processo de carbonização em temperaturas entre 700 e 1400°C. Este processo ocorre em temperatura em que a resina fenólica e a fibra são modificadas para uma estrutura de carbono. Para que sejam obtidas fibras de 5 carbono é necessário que o aquecimento seja controlado (taxa de aquecimento), preferencialmente em um forno com atmosfera rica em um gás inerte como o argônio, que é o convencionalmente utilizado. Essa atmosfera não oxidante é muito importante, pois carbono e oxigênio em contato em temperaturas acima de 400°C reagem para formar o monóxido de carbono. |0 Assim sendo, é recomendável usar atmosfera controlada para que a carbonização seja obtida sem danos ao material.27/28 tar-derived decomposition. The cured composite is then subjected to the carbonization process at temperatures between 700 and 1400 ° C. This process takes place at a temperature at which the phenolic resin and fiber are modified to a carbon structure. In order to obtain 5 carbon fibers it is necessary that the heating be controlled (heating rate), preferably in an oven with an atmosphere rich in an inert gas such as argon, which is the conventionally used. This non-oxidizing atmosphere is very important, as carbon and oxygen in contact at temperatures above 400 ° C react to form carbon monoxide. | 0 Therefore, it is recommended to use a controlled atmosphere so that carbonization is achieved without damage to the material.

Exemplos de curvas de carbonização são apresentados na figura 2. Para a obtenção de fibras ocas, é preferível uma carbonização com taxas elevadas de aquecimento no início da rampa, essas taxas podendo ser de até 15 15°C/min para proporcionar, através dessas rampas de aquecimento, a fusão do interior da fibra que não foi estabilizado devido ao gradiente de estabilização da mesma. A carbonização com taxas elevadas de aquecimento parece acarretar a perda do gradiente radial de estabilização oxidativa.Examples of carbonization curves are shown in figure 2. To obtain hollow fibers, it is preferable to carbonize with high heating rates at the beginning of the ramp, these rates can be up to 15 15 ° C / min to provide, through these ramps heating, the fusion of the fiber interior that was not stabilized due to the stabilization gradient of the fiber. Carbonization with high heating rates seems to cause the loss of the radial gradient of oxidative stabilization.

Exemplo 2 - Obtenção e Caracterização dos Produtos da Invenção na 20 Forma de CompósitosExample 2 - Obtaining and Characterizing the Products of the Invention in the Form of Composites

Precursores poliméricos dotados de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal, na forma de compósitos de matriz polimérica (de resina fenólica) reforçados com fibras PAN dotadas de gradiente radial de estabilização oxidativa, foram convertidos em compósitos de C 25 reforçado com fibras ocas de C, como apresentado na figura 3, que apresenta fotomicrografias com maiores detalhes das fibras ocas no compósito. Os compósitos da invenção podem ser obtidos em diferentes configurações, a depender do precursor utilizado e das condições de processo. Preferencialmente, as dimensões (diâmetro) das áreas ocas do compósito da 30 invenção são compreendidas na faixa de 0,1 a 10 pm.Polymeric precursors endowed with a gradient of physical-chemical properties in their cross section, in the form of polymer matrix composites (of phenolic resin) reinforced with PAN fibers endowed with radial gradient of oxidative stabilization, were converted into C 25 composites reinforced with hollow fibers of C, as shown in figure 3, which presents photomicrographs with greater details of the hollow fibers in the composite. The composites of the invention can be obtained in different configurations, depending on the precursor used and the process conditions. Preferably, the dimensions (diameter) of the hollow areas of the composite of the invention are comprised in the range of 0.1 to 10 pm.

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O compósito obtido após tratamento térmico de carbonização foi analisado microestruturalmente para avaliar a morfologia obtida além da confirmação da total conversão das fibras de PAN estabilizadas e também da matriz de resina fenólica em C.The composite obtained after thermal carbonization treatment was analyzed microstructurally to evaluate the morphology obtained in addition to the confirmation of the total conversion of the stabilized PAN fibers and also of the phenolic resin matrix in C.

A figura 3 apresenta um compósito da invenção, onde é possível observar que as fibras estão ocas no plano do tecido e também pode-se observar algumas fibras fraturadas ao meio de seu diâmetro, permitindo concluir que a fibra está oca por todo o seu comprimento.Figure 3 shows a composite of the invention, where it is possible to observe that the fibers are hollow in the plane of the fabric and it is also possible to observe some fractured fibers in the middle of their diameter, allowing to conclude that the fiber is hollow throughout its length.

Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e o poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outros variantes, abrangidos no escopo das reivindicações anexas.Those skilled in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the modalities presented and in other variants, covered by the scope of the attached claims.

Claims (11)

MATERIAL TUBULAR DE CARBONO, COMPÓSITOS CONTENDO O MESMO, USOS E PROCESSOS PARA SUA OBTENÇÃOTUBULAR CARBON MATERIAL, COMPOSITES CONTAINING THE SAME, USES AND PROCESSES FOR OBTAINING IT 1. Processo para a obtenção materiais tubulares de carbono e/ou de compósitos contendo os mesmos, caracterizado por compreender as etapas de:1. Process for obtaining tubular carbon and / or composite materials containing them, characterized by understanding the steps of: - adicionar um precursor compreendendo um material polimérico dotado de gradiente de propriedade físico-química em sua seção transversal a um reator; sendo que o referido precursor compreende fibras de poliacrilonitrila (PAN) dotadas de gradiente radial de estabilização oxidativa e a massa específica do referido precursor é de 1,36 g/cm3 a 1,42 g/cm3; e- add a precursor comprising a polymeric material with a gradient of physical-chemical properties in its cross section to a reactor; said precursor comprising polyacrylonitrile (PAN) fibers provided with a radial gradient of oxidative stabilization and the specific mass of said precursor is 1.36 g / cm 3 to 1.42 g / cm 3 ; and - variar temperatura e/ou atmosfera para proporcionar a carbonização do referido precursor, formando C; e o referido tratamento térmico é conduzido em temperaturas entre 700 e 1400°C e compreender taxas de aquecimento no início da rampa de até 15 °C/min.- varying temperature and / or atmosphere to provide the carbonization of said precursor, forming C; and said heat treatment is conducted at temperatures between 700 and 1400 ° C and comprises heating rates at the start of the ramp up to 15 ° C / min. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido tratamento térmico é conduzido em um forno de elemento resistivo de grafite de seção circular horizontal e uma linha de gás argônio.2. Process, according to claim 1, characterized by the fact that said heat treatment is conducted in a graphite resistive element furnace with horizontal circular section and an argon gas line. 3. Material tubular, obtido pelo processo definido nas reivindicações 1-2, caracterizado pelo fato de compreender carbono em forma de fibras e/ou lâminas ocas; sendo que:3. Tubular material, obtained by the process defined in claims 1-2, characterized by the fact that it comprises carbon in the form of fibers and / or hollow blades; being that: - a espessura de suas paredes é compreendida na faixa de 0,1 a 10 pm; e- the thickness of its walls is between 0.1 and 10 pm; and - que a concentração de carbono é maior ou igual a 90% em peso.- that the carbon concentration is greater than or equal to 90% by weight. 4. Material tubular, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a concentração de carbono é de 100% em peso.4. Tubular material according to claim 3, characterized by the fact that the carbon concentration is 100% by weight. 5. Compósito, obtido a partir do material da reivindicação 3, caracterizado pelo fato compreender:5. Composite, obtained from the material of claim 3, characterized by the fact that it comprises: - pelo menos um material tubular de carbono em forma de fibras e/ou lâminas ocas; e- at least one tubular carbon material in the form of fibers and / or hollow blades; and - pelo menos um componente de matriz de carbono e/ou polimérica.- at least one carbon and / or polymeric matrix component. Petição 870190084653, de 29/08/2019, pág. 10/11Petition 870190084653, of 08/29/2019, p. 11/10 2/22/2 6. Compósito de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as referidas regiões ocas têm diâmetro na faixa de 0,1 a 10 pm.6. Composite according to claim 5, characterized by the fact that said hollow regions have a diameter in the range of 0.1 to 10 pm. 7. Compósito de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a concentração de carbono no referido material tubular é maior ou igual a 90% em peso.7. Composite according to claim 5 or 6, characterized by the fact that the carbon concentration in said tubular material is greater than or equal to 90% by weight. 8. Compósito de acordo com a reivindicação 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a concentração de carbono no referido material tubular é de 100% em peso.Composite according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the carbon concentration in said tubular material is 100% by weight. 9. Compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações de 5 a 8, caracterizado pelo fato de apresentar a mesma disposição da matriz e reforço original.9. Composite according to any one of claims 5 to 8, characterized in that it has the same layout as the matrix and original reinforcement. 10. Uso de material tubular, definido nas reivindicações 3 e 4, compreendendo carbono em forma de fibras e/ou lâminas ocas, caracterizado por ser para a preparação de compósitos de matriz de carbono e/ou polimérica.10. Use of tubular material, defined in claims 3 and 4, comprising carbon in the form of fibers and / or hollow blades, characterized by being for the preparation of carbon and / or polymeric matrix composites. 11. Uso de material tubular, definido nas reivindicações de 3-4, compreendendo carbono em forma de fibras e/ou lâminas ocas e/ou em compósitos, definido nas reivindicações de 5 a 9, compreendendo o referido material, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por ser para a preparação de produtos do grupo que compreende: materiais para isolamento térmico elou proteção térmica; catalisadores; de sistemas de modulação de fluxo de substâncias químicas, em estado líquido, gasoso e/ou plasma; elementos resistivo para equipamentos que operam em elevada temperatura ou elevado gradiente de temperatura, ou que proporcionem variações na temperatura; ou ainda combinações dos mesmos.11. Use of tubular material, defined in claims 3-4, comprising carbon in the form of fibers and / or hollow blades and / or composites, defined in claims 5 to 9, comprising said material, according to the claim 10, characterized for being for the preparation of products of the group comprising: materials for thermal insulation and / or thermal protection; catalysts; flow modulation systems for chemical substances, in liquid, gaseous and / or plasma; resistive elements for equipment that operate at high temperature or high temperature gradient, or that provide variations in temperature; or combinations thereof.
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