O Papel das Fibras de Carboneto de Silício na Reforço de Materiais Compósitos

Velas inorgânicas são fibras curtas em escala micro a nanométrica formadas através do crescimento de cristais simples de alta pureza. Com resistência próxima à das ligações atômicas, seções transversais completas, mínimos defeitos estruturais e elevadas relações de aspecto, essas velas são amplamente utilizadas para melhorar as propriedades físicas e mecânicas de polímeros e compósitos.

Entre muitos materiais inorgânicos capazes de formar velas, carbeto de Silício (SiC) destaca-se como um exemplo proeminente. Como um cerâmico ligado covalentemente, o carbeto de silício apresenta excelentes propriedades gerais, incluindo alta resistência mecânica, alta condutividade térmica e elétrica, dureza extrema, resistência ao fluência, ao desgaste e à corrosão, resistência à oxidação e excelente estabilidade térmica.

Quando formado em fibras, o SiC existe em duas estruturas cristalinas: tipo α e tipo β , com as fibras de SiC tipo β oferecendo a maior dureza conhecida, módulo, resistência à tração e resistência ao calor entre as fibras. Essas fibras são altamente econômicas e facilmente compatíveis com diversos materiais de matriz, tornando-as o foco de uma extensa pesquisa global.

Aplicações das Fibras de Carbeto de Silício

Como um material de reforço de alto desempenho, Fibras de SiC melhoram a tenacidade e a resistência dos compósitos por meio de mecanismos como desvio de trincas, ponteamento de trincas, extração das fibras e quebra das fibras. Atualmente, são amplamente utilizadas em matrizes metálicas , matriz cerâmica , e matriz de resina compostos.

1. Compósitos Metálicos Reforçados (MMCs)

Os compósitos metálicos normalmente utilizam os seguintes tipos de metais como matrizes:

• Alumínio (Al) e magnésio (Mg) : leve, alta resistência específica.

• Titânio (Ti) : ponto de fusão elevado, excelente estabilidade estrutural, desempenho excepcional em altas temperaturas.

• Ferro (Fe) e níquel (Ni) : resistência a altas temperaturas, boa permeabilidade magnética, baixa coercitividade.

• Cobre (Cu) , prata (Ag) , e ouro (Au) : excelente condutividade, resistência à corrosão.

Compósitos de matriz metálica reforçados com fibras de SiC apresentam melhorias notáveis:

• Compósitos SiCW/Cu : resistência à tração aprimorada e propriedades equilibradas.

• Compósitos SiCW/Al : rigidez específica significativamente melhorada, resistência à tração, resistência ao desgaste e redução da expansão térmica.

• Liga MB15 com SiCW : dureza e taxa de envelhecimento aumentadas.

2. Reforço Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs)

Embora as cerâmicas sejam conhecidas por sua resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e excelente desempenho mecânico em temperaturas elevadas, sua fragilidade intrínseca limita aplicações mais amplas. Utilizar fibras para reforçar as cerâmicas é uma das formas mais eficazes de superar essas limitações.

Métodos comuns de fabricação para cerâmicas reforçadas com fibras de SiC incluem:

• Prensagem a quente

• Prensagem isostática a quente

• Sinterização sem pressão

• Infiltração de vapor químico (CVI)

• Sinterização por plasma de centelha (SPS)

Exemplos de aplicações :

• SiCW-reforçado Al₂O₃/Ti₃SiC₂ compósitos: aumento da tenacidade à fratura e da resistência à flexão.

• ZrB₂ com reforço de SiCW cerâmicas: aumento da resistência flexural e da tenacidade.

3. Reforço de Compósitos de Matriz Resinosa

Alta-performance compósitos de matriz resinosa estão ganhando popularidade em várias indústrias devido à sua baixa densidade, alto módulo específico e resistência, resistência à fadiga, amortecimento de vibrações, resistência à corrosão e baixa expansão térmica.

Na indústria aeroespacial, a redução de peso é fundamental. No entanto, para serem utilizados como componentes estruturais, os materiais resinosos devem atender a requisitos rigorosos de desempenho, tais como:

• Resistência a altas temperaturas

• Força aumentada

• Transparência e absorção de ondas

• Stealth eletromagnético

Fibras de SiC são uma solução fundamental para melhorar essas propriedades.

Um exemplo notável é um estudo de Guo Weiwei , que utilizou fibras de SiC para reforçar compósitos de resina curável por UV por meio da estereolitografia (SLA). Ao tratar a superfície das fibras com o agente de acoplamento KH550, o estudo constatou que a adição das fibras:

• Reduziu a taxa de cura por UV

• Melhorou significativamente o desempenho mecânico

• Teve impacto negativo mínimo no processo de cura

• SiCW em compósitos cerâmico-metálicos à base de Ti(C,N) : melhoria geral nas propriedades mecânicas.

Aplicações do Mundo Real

Hoje, Compósitos reforçados com fibras de SiC são utilizados em diversas indústrias, incluindo aeroespacial, defesa, automotiva, processamento químico, eletrônica e biomédica.

Exemplos incluem:

• Aeroespacial : rolamentos, válvulas de sistemas de combustível, baterias para câmaras de combustão, antenas de radar, cúpulas infravermelhas, componentes para helicópteros e aeronaves a jato.

• Automotivo : injetores de combustível, motores de combustão interna com baixas emissões, componentes para motores térmicos.

• Química e energia : reformadores catalíticos, bicos de vedação, peças de máquinas resistentes ao desgaste.

• Eletrônicos : capacitores multicamadas, sensores de gás e pressão.

• Biomédico : dentes artificiais, ossos, articulações e materiais para implantes.

Conclusão

Com seu desempenho excepcional, As fibras de SiC são consideradas as “Rainhas das Fibras” e têm atraído grande atenção de pesquisadores em todo o mundo. Países como os Estados Unidos e o Japão começaram cedo a pesquisar e industrializar as fibras de carbeto de silício, obtendo fortes benefícios tecnológicos e econômicos. Embora a China tenha iniciado mais tarde, avanços rápidos têm sido alcançados.

Promover o estudo de SiC e outras fibras pode elevar as capacidades da China na ciência de materiais compósitos e impulsionar significativamente sua competitividade global, especialmente na defesa nacional.

Atualmente, As fibras de SiC são as mais amplamente estudadas e aplicadas em compósitos com matrizes metálicas e cerâmicas . A pesquisa sobre seu uso em matrizes resinosas ainda está em desenvolvimento. Para que as fibras de SiC possam plenamente realizar seu potencial em sistemas resinosos, estudos mais profundos e sistemáticos sobre técnicas de modificação de superfície são essenciais.