Title

DETERMINAÇÃO PRECISA DO MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FIBRAS DE CARBONO DE PICHE: APLICAÇÃO DA NORMA ASTM C1557

ACCURATE DETERMINATION OF ELASTIC MODULUS IN PITCH-BASED CARBON FIBERS THROUGH ASTM C1557

Authorship

GUIMARÃES, CAROLINE JOVINE BOUÇAS; CHAVES, PRISCILLA SIEIRA; PEREIRA, FABIO FRANCESCHI; PEREIRA, MARIA HELENA GONÇALVES; JUNIOR, ÉDIO PEREIRA LIMA; MONTEIRO, SÉRGIO NEVES

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JUNIOR, ÉDIO PEREIRA LIMA

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DOI

10.5151/2594-5327-42144

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Abstract

A fibra de carbono derivada de piche mesofásico apresenta elevado potencial para aplicações estruturais devido à sua alta rigidez. Para garantir precisão na determinação do módulo de elasticidade dessas fibras frágeis e de pequenas dimensões, é essencial considerar a influência da conformidade do quadro de carga nos ensaios de tração. Neste estudo, foram utilizadas fibras de piche mesofásico de petróleo, com diâmetro médio inicial de aproximadamente 25 µm, estabilizadas a 270 °C e carbonizadas em cinco temperaturas distintas (500 °C, 750 °C, 1000 °C, 1250 °C e 1500 °C), sendo ensaiadas em três diferentes comprimentos de aferição (4 mm, 12 mm e 20 mm). Aplicando o método da norma ASTM C1557, que correlaciona o deslocamento por unidade de carga com a razão entre comprimento de aferição e rigidez axial da fibra (l₀/AE), foi possível determinar a conformidade do sistema de ensaio e calcular o módulo de elasticidade corrigido para cada amostra. Os resultados indicam um aumento significativo da rigidez das fibras com o incremento da temperatura de carbonização, alcançando até 195 GPa após a correção, com discrepâncias de até 48% em relação aos valores não corrigidos. A influência da conformidade mostrou-se mais expressiva em fibras com maiores diâmetros, evidenciando a necessidade de correções individualizadas por amostra. Os dados reforçam a importância da correção sistemática para uma caracterização precisa das propriedades mecânicas de fibras de carbono em aplicações críticas.

CARBON FIBERS DERIVED FROM PETROLEUM-BASED MESOPHASE PITCH EXHIBIT STRONG POTENTIAL FOR STRUCTURAL APPLICATIONS DUE TO THEIR HIGH STIFFNESS. TO ENSURE ACCURACY IN DETERMINING THE ELASTIC MODULUS OF THESE SMALL AND FRAGILE FIBERS, IT IS ESSENTIAL TO ACCOUNT FOR THE INFLUENCE OF LOAD FRAME COMPLIANCE DURING TENSILE TESTING. IN THIS STUDY, FIBERS WITH AN AVERAGE INITIAL DIAMETER OF APPROXIMATELY 25 µM WERE STABILIZED AT 270 °C AND CARBONIZED AT FIVE DIFFERENT TEMPERATURES (500 °C, 750 °C, 1000 °C, 1250 °C, AND 1500 °C), THEN TESTED AT THREE DIFFERENT GAUGE LENGTHS (4 MM, 12 MM, AND 20 MM). USING THE METHOD OUTLINED IN ASTM C1557, WHICH RELATES DISPLACEMENT PER UNIT FORCE TO THE RATIO BETWEEN GAUGE LENGTH AND FIBER AXIAL STIFFNESS (L₀/AE), THE COMPLIANCE OF THE TESTING SYSTEM WAS DETERMINED, AND THE CORRECTED ELASTIC MODULUS WAS CALCULATED FOR EACH SAMPLE. THE RESULTS INDICATE A SIGNIFICANT INCREASE IN FIBER STIFFNESS WITH INCREASING CARBONIZATION TEMPERATURE, REACHING UP TO 195 GPA AFTER CORRECTION, WITH DISCREPANCIES OF UP TO 48% COMPARED TO UNCORRECTED VALUES. THE EFFECT OF COMPLIANCE WAS MORE PRONOUNCED IN FIBERS WITH LARGER DIAMETERS, HIGHLIGHTING THE NEED FOR INDIVIDUAL CORRECTION PER SAMPLE. THESE FINDINGS REINFORCE THE IMPORTANCE OF SYSTEMATIC CORRECTION TO ENSURE ACCURATE CHARACTERIZATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF CARBON FIBERS FOR CRITICAL APPLICATIONS.

Keywords

Fibra de Carbono, Piche Mesofásico de Petróleo, Módulo de Elasticidade, e Conformidade do Quadro de