Production of healing micro/nanostructured carbon fiber materials, carbon nanotubes and nanoparticles

• Grant number: 24/12000-0
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Technical Training Program - Technical Training
• Start date: October 01, 2024
• End date: April 30, 2025
• Field of knowledge: Physical Sciences and Mathematics - Chemistry - Physical-Chemistry
• Principal Investigator: Jose Mauricio Rosolen
• Grantee: Gustavo Guerreiro Candido Soares
• Host Institution: Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP). Universidade de São Paulo (USP). Ribeirão Preto , SP, Brazil
• Associated research grant: 22/07671-7 - Self-healing fiber ceramic matrix composite, AP.R

Abstract

A SAFER tem como objetivo pesquisar e desenvolver uma família de compósitos de matriz cerâmica não óxido (CMC) com capacidade de autocura. O novo material CMC é reforçado com fibras de carbono incorporadas em uma matriz de fase dupla de carbono e carbeto de silício (Cf/C-SiC). As fibras de carbono serão funcionalizadas com nanoestruturas de carbono, que aumentam as propriedades mecânicas e criam auto-regeneração na interface fibra/matriz. Além disso, a matriz é funcionalizada com nanopartículas de óxidos metálicos que criam auto-regeneração na matriz. A característica especial deste projeto é a utilização do processo de moldagem por injeção termofixa como primeira etapa do processo na rota LSI de três etapas (infiltração de silício líquido). Este processo chamado IM-LSI (moldagem por injeção e infiltração de silício líquido) permite a produção em massa de pré-formas de PRFC. Em primeiro lugar, as fibras e a matriz são compostas, em segundo lugar moldadas para CFRP e em terceiro lugar carbonizadas para C/C e infiltradas com silício líquido para Cf/C-SiC na quarta etapa. Além disso, o pó de silício já estará misturado nos grânulos durante a composição. Isso permite a silicificação intrínseca com a vantagem de controlar com precisão o teor de SiC na matriz, o que pode ser feito durante a etapa de carbonização sob omissão da última etapa. Os aditivos cicatrizantes serão desenvolvidos utilizando diferentes fibras de carbono revestidas com nanoestruturas de carbono (nanotubos de carbono, óxido de grafeno) funcionalizadas com precursores de nanopartículas ativados pelo aumento de temperatura do disco. O mecanismo de cicatrização, bem como o reforço do compósito utilizado para a preparação dos discos, será realizado por meio de técnicas mecânicas e microscópicas como MEV, SPEM e tomografia de raios X. As propriedades mecânicas e morfológicas do disco após o uso serão utilizadas para aferir a produção de curas micro/nanoestruturadas. Em comparação com as cerâmicas monolíticas, o CMC possui maior ductilidade e tolerância a danos, o que permite o uso deste material para aplicações severas. Começando em aplicações espaciais, este material está hoje bem estabelecido em aplicações de fricção, onde freios leves de alto desempenho desaceleram com segurança, por exemplo, carros de luxo ou elevadores. Os altos custos de produção ainda limitam a ampla aplicação como discos de freio em carros de passeio padrão, embora sejam mais leves, com melhor desempenho e mais duradouros do que os freios de ferro fundido. Com a rota de processamento IM-LSI em larga escala, os custos de produção podem ser reduzidos significativamente e permitindo uma ampla aplicação como discos de freio para carros padrão (elétricos). Os freios CMC têm propriedades excepcionais: não corroem, permitem o uso ao longo da vida sem emitir poeira fina e contribuem com seus pesos leves para a redução geral de CO2. Além disso, o CMC funcionalizado para aplicações de fricção a ser pesquisado e desenvolvido durante a SAFER abre mais áreas operacionais como aeroespacial e embreagens industriais. O demonstrador do SAFER será um disco de freio com ventilação interna que mostra os resultados da pesquisa provenientes de TRL 2 a TRL 5. O consórcio SAFER é formado por cinco parceiros de DE, CZ, PL e BR que trazem expertise única em sua área de conhecimento: processamento CMC não óxido (Universidade Técnica de Chemnitz), preparação e funcionalização de nanocargas, caracterização (VSB-Technical Universidade de Ostrava), preparação e funcionalização de fibras de carbono (Universidade de São Paulo), preparação e funcionalização de fibras de carbono (Opole University of Technology), e desenvolvimento e fabricação de sistemas de frenagem (Diafrikt Components s.r.o.). Os parceiros de pesquisa também têm algumas interações anteriores e a probabilidade de engajamento de várias empresas é muito alta.