Os materiais carbonosos apresentam excelentes propriedades termo-mecânicas aliadas à baixa massa específica (<2 g/cm3), fazendo com que os mesmos possam ser utilizados em componentes estruturais submetidos à altas temperaturas (T>1000 oC). Gargantas de tubeiras de foguete, proteções térmicas, componentes de turbinas e componentes para aplicação em áreas de processo sujeitas à altas temperaturas são exemplos típicos de aplicações desses materiais. A obtenção de Materiais Carbonosos, como por exemplo fibras de carbono e compósitos de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono (CRFC), passa obrigatoriamente por um processo de pirólise controlada, onde precursores orgânicos como resinas, piches, e fibras poliméricas são convertidos, acima de 800 oC, em um material carbonoso sólido. No presente trabalho foram obtidos os parâmetros cinéticos, como por exemplo energia de ativação de uma reação, de um piche de alcatrão-de-hulha, de uma resina termorrígida fenólica resol, e de um compósito de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono por meio de análise termogravimétrica. O procedimento experimental por análise termogravimétrica envolveu o aquecimento a taxas pré-determinadas e constantes das amostras até 1000 oC. A obtenção dos parâmetros cinéticos foram efetuados pela análise da curva de perda de massa. Três métodos analíticos foram utilizados: método derivativo de Friedman, método de Ozawa e método de Kissinger. Além desses métodos de análise, baseados em regressão linear, também foi utilizado um método de ajuste não linear para obtenção dos parâmetros cinéticos, que melhor se ajustam às curvas de perda de massa, denominado de método Levemberg-Marquardt. O método derivativo de Friedman utiliza a equação cinética básica e por meio da aplicação de técnicas de derivada propõe a linearização da equação com a finalidade da obtenção dos parâmetros cinéticos. O método de Ozawa, parte da equação cinética e por meio de integração propõe a linearização da equação cinética e dela obter os parâmetros cinéticos. O método de Kissinger, utiliza apenas a temperatura no ponto de maior velocidade de perda de massa. É um método de cálculo, que parte do balanço energético associado à equação cinética, obtendo a partir dessa associação uma equação que permite o cálculo da energia de ativação. Dentre os métodos utilizados o método de Friedman e o método de Ozawa foram os que mostraram mais congruência nos resultados.

Dentre os diversos tipos de carbonos poliméricos obtidos em laboratório ou industrialmente, destaca-se o carbono vítreo, material isotrópico, não grafitizável, obtido normalmente por tratamento térmico entre 1000 e 1400 C, na ausência de oxigênio (tratamento de carbonização), de determinados polímeros termorrígidos, destacando-se as resinas fenólicas e furfurílicas. O carbono vítreo pode ser produzido isento de poros de transporte, denominado Carbono Vítreo Monolítico (CVM), ou na forma de espumas ricas em poros de transporte, denominado Carbono Vítreo Reticulado (CVR). O presente trabalho visa estudar as condições de obtenção do CVR, que tem sido produzido por meio do estabelecimento de um processo que favoreça a obtenção da espuma de carbono com distribuição homogênea dos poros de transporte e características mecânicas adequadas à sua manipulação. Por intermédio da impregnação de espumas poliméricas, utilizando-se como impregnante a resina furfurílica diluída com álcool furfurílico e uma espuma à base de poliuretano como matriz de ancoragem, podem-se obter resultados bastante satisfatórios. A fim de estabelecer os melhores parâmetros para obtenção do CVR, faz-se necessário o estudo das propriedades térmicas e reológicas da resina furfurílica. O conhecimento das propriedades morfológicas, mecânicas e elétricas do material são de grande relevância para a determinação da adequada aplicação do material em diversas áreas, tais como: espacial; médica; química e eletrônica.

Os materiais carbonosos podem ser obtidos a partir de precursores poliméricos tratados a temperaturas de pelo menos 1000oC em atmosfera inerte. O processamento desses materiais é considerado como tecnologia de ponta, devido à sua utilização em áreas estratégicas como a aeronáutica e a aeroespacial, na obtenção de gargantas de tubeiras de foguetes e freios aeronáuticos, quanto na área biomédica em implantes intra-corpóreos, tipos: válvulas cardíacas e pontas de eletrodos de marcapasso. Os requisitos de desempenho destes componentes demandam um rígido controle das condições de processamento, que definem a microestrutura e as propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do material final. Logo, a caracterização físico-química das matérias-primas precursoras, se faz necessária. No presente estudo realizou-se análises cromatográficas, reológicas e térmicas visando a caracterização de resinas termorrígidas - fenólicas e furfurílica - no processamento de materiais carbonosos. Os resultados obtidos foram correlacionados e utilizados diretamente na seleção do precursor polimérico mais adequado ao processamento de compósitos carbono/fenólica e carbono vítreo. Dentre as amostras estudadas uma do tipo resol foi escolhida para o processamento do compósito e a furfurílica para a obtenção do carbono vítreo. Esta escolha foi baseada, principalmente, na distribuição de peso molecular, no comportamento reológico e nos teores de água e de carbono fixo das resinas em estudo. O compósito e a resina furfurílica polimerizada obtidos foram caracterizados por análise dinâmico-mecânica e o carbono vítreo por microscopia óptica.

O carbono vítreo (CV) é um material carbonoso e é obtido por meio da carbonização de resinas termorrígidas, produzindo artefatos com formas complexas. Devido à sua inércia química e estabilidade a altas temperaturas (acima de 2000oC) em atmosfera inerte, o CV tem um excelente potencial para aplicação em diferentes áreas, como a aeroespacial, médica e química. Considerado como um material frágil, este apresenta como característica intrínseca a presença de poros, os quais variam em quantidade e tamanho em função das condições de processamento e das matérias-primas utilizadas. Os poros possuem uma significativa influência nas propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do CV, causando uma larga dispersão das propriedades, principalmente mecânicas. Por meio do controle dos parâmetros de processamento e das matérias-primas é possível monitorar a porosidade. Este trabalho apresenta um estudo envolvendo a probabilidade de fratura usando análise de Weibull de corpos-de-prova de CV ensaiados em flexão em três pontos, correlacionando estes dados com observações obtidas por microscopia óptica assistida por análise de imagens. Os resultados mostram que os parâmetros de processamento como viscosidade da resina furfurílica utilizada, tempo de centrifugação, velocidade de centrifugação da resina e temperatura de cura da resina possuem uma grande influência sobre o tamanho e a distribuição dos poros e, conseqüentemente, sobre a resistência em flexão do CV. Foi determinado que a viscosidade da resina furfurílica igual a 3000 mPa.s é considerada como a mais adequada para o processamento do CV. Os resultados obtidos mostram que a correlação das análises de imagens com os ensaios de flexão em três pontos, tratados pelo uso da análise estatística de Weibull, é uma ferramenta útil para monitorar o processamento do CV.

A presença de vazios em laminados prejudica o desempenho estrutural dos compósitos. Em geral, os vazios afetam a resistência estática e a vida em fadiga dos laminados, principalmente, naqueles carregamentos em que a resistência é dominada pela matriz: cisalhamento interlaminar, compressão e flexão. Além disso, o tipo de sistema de resina utilizado nos laminados tem influência na forma e no tamanho dos vazios dos laminados e no estabelecimento dos parâmetros de fratura.Este trabalho visa estabelecer experimentalmente níveis máximos de aceitação de vazios que não sejam prejudiciais ao desempenho das funções dos compósitos e investigar a adequabilidade do critério de falha de Mar-Lin modificado na correlação de dados experimentais de resistência com o conteúdo de vazios. Uma metodologia de manufatura de laminados com alta porosidade foi desenvolvida. Sistemas de carbono/epóxi e carbono/bismaleimida com conteúdo de vazios na faixa de 0 a 12% foram produzidos e os valores de atenuação no ultra-som, resistências ao cisalhamento interlaminar e à compressão foram medidos para cada tipo de material. Além disso, todos os compósitos poliméricos obtidos foram submetidos aos efeitos higrotérmicos em câmara de climatização e suas propriedades mecânicas também foram avaliadas. O critério de falha foi usado para correlacionar a resistência à fratura com a atenuação no ultra-som determinando parâmetros de fratura para todos os materiais e tipos de carregamento estudados. A análise microestrutural também foi utilizada para caracterizar a distribuição, a forma e localização dos vazios nos laminados de carbono/epóxi e carbono/bismaleimida.Os resultados mostram que o critério de falha utilizado apresenta boa concordância entre os dados experimentais para todos os materiais e carregamentos considerados. Assim, foi possível estabelecer um nível crítico de conteúdo de vazios para cada caso estudado.

A utilização de compósitos poliméricos em componentes de aeronaves e embarcações deve-se, primordialmente, à flexibilidade de projeto, excelentes propriedades mecânicas e baixa massa específica, aliada aos elevados valores de resistência mecânica e rigidez e baixa incidência de corrosão, atendendo aos severos requisitos de desempenho dessas estruturas em serviço. Isto torna os compósitos poliméricos particularmente atraentes como substituintes das ligas metálicas em aplicações aeronáuticas e navais. Entretanto, quando colocados em serviço, os compósitos poliméricos estão expostos a uma variedade de condições ambientais e diversos tipos de esforços mecânicos que podem causar danos irreversíveis, quando submetidos a ciclos prolongados. Com isto, o presente trabalho objetiva contribuir no domínio dos efeitos das condições ambientais em compósitos poliméricos termorrígidos, utilizando para isto laminados de fita unidirecional de fibra de carbono de módulo intermediário, aglutinadas em resina epóxi modificada, tipo 8552. Assim, os compósitos poliméricos termorrígidos foram submetidos a efeitos higrotérmicos, com temperatura (80C) e umidade (90%) controladas, em câmara de climatização e de névoa salina (35C), sendo suas propriedades mecânicas avaliadas por meio de ensaios de compressão, de cisalhamento interlaminar e de tração longitudinal e transversal, em temperaturas ambiente (22oC) e elevada (82oC). Os resultados obtidos nos ensaios são correlacionados com análises por microscopia eletrônica de varredura. A análise destes resultados mostra que o efeito combinado do condicionamento higrotérmico com temperatura elevada de ensaio, reduz as resistências mecânicas do compósito devido à degradação da matriz polimérica

A produção e caracterização de Carbono Vítreo Reticulado (CVR) são estudadas de forma sistemática, considerando seus aspectos morfológicos, estruturais e eletroquímicos, em função da temperatura de tratamento térmico (Heat Treatment Temperature, HTT) utilizada, no intervalo de 700 a 2000 C. O CVR foi obtido a partir da impregnação de uma espuma de PU por uma resina furfurílica obtendo-se uma estrutura do tipo colméia, com porosidade de 70 ppi (pores per inch). O controle e otimização do processo de cura da resina foram estudados, considerando a influência do catalisador e massa da mesma nos aspectos cinéticos e termodinâmicos, utilizando técnicas de viscosimetria, reologia e calorimetria exploratória diferencial. São discutidos os dados de energia de ativação da reação de cura, assim como, a sua ordem de reação, que mostra ser unimolecular. A correlação de dados de reologia e de análise térmica mostra a influência determinante da quantidade de catalisador na energia de ativação da reação de cura da resina e, conseqüentemente, nas propriedades físico-químicas do CVR. Caracterizações estrutural e morfológica do CVR foram feitas por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX), espectroscopia de fotoelétrons por raios X (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) e espectroscopia de espalhamento Raman. A correlação de resultados obtidos por essas técnicas, de amostras de CVR obtidas em diferentes HTT, e de dados eletroquímicos, quando o CVR é utilizado como eletrodo de trabalho em medidas de voltametria cíclica em par redox, contribui para um melhor conhecimento das características do CVR. Análises por MEV revelam a presença de bolhas na superfície de suas hastes, quando este é carbonizado em HTT inferiores a 1000 C, o que indica a formação de gases devido à expulsão dos heteroátomos. As imagens de MEV também permitiram calcular a razão entre a área de superfície por unidade de volume do material, em 44 cm2 cm-3. Os resultados de DRX mostram que o aumento da altura de empilhamento lamelar e o decréscimo da distância interplanar estão atrelados ao aumento da HTT, com um melhor ordenamento em 2000 C. Este comportamento está de acordo com resultados de XPS, onde se observa que abaixo de 1300 C existe influência da presença de heteroátomos. Acima deste valor, o comportamento é definido pela organização da estrutura carbonosa, em seus modos de vibração. Análises por espectroscopia Raman confirmam a influência negativa dos heteroátomos no ordenamento da estrutura do material abaixo de 1300 C, bem como a tendência de formação de estrutura grafítica monocristalina com o aumento de HTT. As técnicas Raman e DRX apresentam uma importante contribuição na determinação de La (tamanho de cristalito) em função do HTT utilizado. As medidas de voltametria cíclica mostram que o CVR se comporta como quasi reversível a irreversível, em função da velocidade de varredura utilizada. Particularmente, as amostras de CVR tratadas a 1300 e 1500 C apresentam cinética eletroiônica mais rápida e irreversível do que as demais. As amostras de CVR isolantes, tratadas abaixo de 1000 C, não apresentam resposta eletroquímica significativa, com ausência dos picos de oxidação ou redução.