Modelagem termodinâmica e simulação numérica para o desenvolvimento de fibras de carbono de alta performance advindas do piche mesofásico

Resumo

As fibras de carbono são componentes fundamentais para o desenvolvimento de materiais compósitos avançados. Suas propriedades físicas, térmicas e elétricas, combinadas com a baixa densidade, tornam as fibras de carbono um material de grande interesse em diferentes ramos industriais. O presente projeto objetiva propor um modelo mesoscópico contínuo para estudar e descrever as propriedades termodinâmicas e mecânicas das fibras provenientes de piche mesofásico, o qual pode ser tratado como uma mistura mesofásica. De maneira geral, este estudo tentará abranger todo o processo de produção das fibras, mas com ênfase especial na etapa de ``spinning'' (fiação por fusão) da mistura mesofásica. Somado a isto, simulações numéricas envolvendo funções de distribuição da orientação dos cristais serão realizadas, com o fim de otimizar as propriedades termodinâmicas e mecânicas das fibras. A termodinâmica mesoscópica do contínuo (TMC) será usada para descrever o comportamento termodinâmico e mecânico da mistura mesofásica. Nesta abordagem, ao contrário da termodinâmica do contínuo tradicional, características microscópicas do material são levadas em conta durante a modelagem e, consequentemente, um número maior de informações são extraídas do material. As restrições termodinâmicas para a mistura mesofásica serão determinadas por meio da avaliação da segunda lei da termodinâmica, juntamente com as equações de balanço e equações constitutivas. Para este propósito, o método de multiplicadores de Lagrange proposto por Liu será empregado. A análise das funções de distribuição da orientação dos cristais será realizada por meio da resolução da equação para a função de distribuição mesoscópica. Os cálculos serão feitos na plataforma do programa computacional Wolfram Mathematica, baseados no método de resolução numérica recentemente proposto na literatura. As condições iniciais e de contorno empregadas durante a simulação numérica deverão estar de acordo com as restrições termodinâmicas obtidas pela TMC para a mistura mesofásica sob estudo, sendo por meio desta análise que a validade do modelo teórico proposto será primeiramente confirmada. Portanto, o presente projeto se insere como pioneiro neste ramo de pesquisa, uma vez que uma abordagem termodinâmica diferente da tradicional será empregada para descrever e prever as propriedades termodinâmicas e mecânicas da mistura mesofásica. Espera-se que, com o sucesso deste novo enfoque, seja possível indicar melhorias nas técnicas experimentais empregadas durante as etapas do processo de produção, com o fim de diminuir o custo de fabricação e produzir fibras de carbono com excelentes propriedades. Vale ressaltar que as atividades propostas neste projeto serão realizadas em cooperação científica com a Professora Doutora Christina Papenfuss do Departamento de Engenharia da Universidade de Ciências Aplicadas de Berlin (Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin) e da TU Berlin, a qual desenvolveu a teoria mesoscópica do contínuo para cristais líquidos e outros materiais complexos.