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Carretéis em Carbono Vítreo e Amido para a Utilização em Giroscópio a Fibra Óptica Vitreous Carbon and Starch Spools for Utilization in Fiber Optic Gyroscopes CYNTIA CRISTINA DE PAULA CTA/Instituto de Estudos Avançados Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)
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ANDRÉ CÉSAR DA SILVA CTA/Instituto de Estudos Avançados
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ANTONIO GARCIA RAMOS CTA/Instituto de Estudos Avançados
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MIRABEL CERQUEIRA REZENDE CTA/Instituto de Estudos Avançados
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EDSON COCCHIERI BOTELHO Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)
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RESUMO – O presente artigo aborda o projeto e a obtenção de carretéis de apoio ao enrolamento de bobinas de fibra óptica utilizadas em giroscópios, com dois diferentes materiais: carbono vítreo e amido, visando à otimização do desempenho do sensor como um todo. Esse desempenho é particularmente afetado pela dilatação térmica do carretel de suporte da bobina de fibra óptica. A eliminação do suporte é uma alternativa para a redução de tal problema. O amido foi escolhido por ser solúvel em água, permitindo a obtenção de uma bobina de fibra óptica auto-sustentável. Embora essa seja a condição ideal, em algumas aplicações há a necessidade de um suporte permanente que auxilie na fixação. Para essa finalidade, o carbono vítreo foi obtido e caracterizado quanto à sua massa específica (1,54 g/cm3), ao seu coeficiente de dilatação térmica (2.10-6°C-1) e a sua resistividade elétrica (62,08 µ.Ω.m). Esses resultados estão de acordo com trabalhos anteriores sobre carbono vítreo. Uma comparação das diferentes alternativas de carretéis permanentes para a construção da bobina do giroscópio a fibra óptica revela que o carbono vítreo é o mais adequado para esta aplicação. Palavras-chave: GIROSCÓPIO A FIBRA ÓPTICA – CARBONO VÍTREO – RESINA FURFURÍLICA – AMIDO. ABSTRACT – This article addresses the project and fabrication of spools to aid the winding and support of optical fibers used in gyroscopes, in order to improve its performance as a whole. The materials studied are vitreous carbon and starch. Gyro performance is particularly affected the spool thermal expansion. Elimination of the spool is an alternative for the reduction of this effect. Starch is soluble in water, making it possible to build a self-supported coil. Although this is the ideal situation, in some applications a spool is needed for fixation of the coil. For these cases, vitreous carbon is characterized for specific mass (1.54 g/cm3), thermal expansion coefficient (2 × 10–6ºC–1) and electrical resistivity (62.08 mΩm). These results agree with previous works on vitreous carbon. A comparison between different alternatives for the permanent spool for the gyro fiber coil reveals that vitreous carbon is the most adequate for this application. Keywords: FIBER OPTIC GYROSCOPE – VITREOUS CARBON – FURFURYLIC RESIN – STARCH.
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INTRODUÇÃO
O
giroscópio é um dispositivo que mede a velocidade angular a que é submetido seu referencial próprio em relação a um referencial inercial. O sistema composto por três giroscópios e três sensores de aceleração é conhecido por plataforma inercial. O veículo equipado com esse sistema é capaz de se orientar e de se posicionar no espaço. Tal capacidade é desejável em veículos lançadores de satélites, além de muito importante em aviões em cruzeiro nos instantes em que perdem o auxílio de navegação externo (Almeida, 1996). O giroscópio que utiliza um interferômetro a fibra óptica possui uma configuração básica conhecida como interferômetro de Sagnac (Carrara, 1988). Esse tipo de sensor a fibra óptica tem fornecido, nos últimos anos, uma boa solução para aplicações que necessitam de alta resolução de medida de velocidade angular, principalmente, por apresentarem características de alta sensibilidade, imunidade a interferências eletromagnéticas, tamanho e peso reduzidos. Sensores de rotação a fibra óptica são utilizados em aeronaves, veículos espaciais, satélites, mísseis, navios, brocas petrolíferas e em automóveis (Berg, 1994). Um dos componentes fundamentais em um giroscópio a fibra óptica (GFO) é a bobina óptica (Almeida, 1997). Suas características norteiam detalhes relevantes do sistema. Para se chegar à confecção de um GFO, para aplicações específicas, é necessária a formulação de várias alternativas para a bobina óptica. Isso pode ser feito por meio da fabricação de carretéis de apoio para o enrolamento da bobina de fibra óptica, com diversas geometrias e diferentes materiais (De Paula, 1999). A figura 1 mostra a configuração mínima do circuito óptico com os componentes principais de um GFO (Barbosa, 1998). Como pode ser observado, esse sensor a fibra tem o eixo de sensibilidade perpendicular ao plano das espiras da bobina, não são detectadas rotações em torno de eixos paralelos ao plano das espiras. Por isso, diz-se que o GFO é um sensor de um grau de liberdade (Almeida, 1998).
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Fig. 1. “Configuração mínima” de circuito óptico com os componentes principais do giroscópio, mostrando a posição da bobina de fibra óptica.
A utilização de um carretel auto-sustentável é a condição ideal para a aplicação em GFO, por não apresentar um suporte com coeficiente de dilatação térmica diferente do coeficiente da fibra óptica, pois considera-se a primeira camada de fibra como o suporte para as demais. Outra vantagem na utilização desse tipo de suporte é a eliminação da massa associada ao carretel. Essa redução de massa vem atender à crescente necessidade de compactação de tais sensores, em especial nas atividades aeroespaciais. Entretanto, esse sistema apresenta uma desvantagem devido à configuração, pois em certos casos a bobina deve ser fixada rigidamente e a ausência de um suporte mecânico dificulta tal fixação. A figura 2 mostra uma bobina de fibra óptica auto-sustentável (fig. 2a) e uma bobina de fibra óptica enrolada sobre um suporte de amido (fig. 2b) (De Paula, 1999). Quando houver necessidade de um suporte permanente para a bobina de fibra óptica, as condições desejáveis para o carretel são: baixa massa específica, pois a redução de massa do sensor aumenta a capacidade de carga útil dos veículos equipados com este sistema, em especial para aplicações aeroespaciais; baixo coeficiente de dilatação térmica, com o objetivo de reduzir a deformação na fibra óptica quando houver aumento de temperatura; e baixa resistividade elétrica, para evitar o acúmulo de eletricidade estática, prejudicial à eletrônica de alta sensibilidade presente no circuito óptico, em especial na fonte óptica (De Paula, 1999).
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Fig. 2. Uma bobina de fibra óptica auto-sustentável (a) e bobina de fibra óptica enrolada sobre um suporte de amido (b).
(b)
(a) Dentro desse conceito, o carbono vítreo encontra-se em uma posição vantajosa em relação a outros materiais, pois é constituído essencialmente de átomos de carbono, que têm a peculiar característica de se ligar indefinidamente entre si, podendo dar origem a uma enorme quantidade de combinações, com estruturas que podem ser alteradas mediante certas condições de processamento. Esse material é classificado como material carbonoso de origem polimérica, devido à utilização de resinas termorrígidas, fenólicas e furfurílicas, como principal matériaprima, apresentando características físicas, térmicas e elétricas, em especial, que se aproximam das condições desejáveis para os carretéis, descritas anteriormente (Taylor, 1977; e De Paula, 1999). Sendo assim, o presente artigo aborda a obtenção de carretéis de carbono vítreo e amido com vistas à produção de bobinas de fibra óptica. Os materiais obtidos foram caracterizados por ensaios de resistividade elétrica pelo método dos quatro pontos, massa específica aparente, determinação dos encolhimentos linear e volumétrico e da perda de massa do precursor do carbono vítreo durante o tratamento térmico, rugosidade superficial, dureza e por análise de microscopia óptica.
nido com 57 HRc. O dimensionamento das espessuras da parede do molde foi calculado em função da pressão específica a ser aplicada na obtenção do carretel (Agostinho, 1977). Este ensaio foi realizado em uma prensa hidráulica modelo Imperial 2000. Fig. 3. Molde para compactação do amido.
A figura 4 ilustra o suporte em amido utilizado no enrolamento da bobina de fibra óptica. Fig. 4. Suporte em amido.
MATERIAIS E MÉTODOS Carretel Auto-sustentável Para a obtenção de bobinas auto-sustentáveis, o material escolhido como suporte temporário foi o amido de milho em pó, conformado em um molde adequado por meio de um sistema de prensagem. Para a confecção do molde (fig. 3), foi utilizado aço com alta porcentagem de carbono, temperado e reve-
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O enrolamento da fibra óptica sobre o suporte em amido foi realizado em uma máquina bobinadora de fibra óptica (fig. 5) (De Paula, 1999). Fig. 5. Esquema da máquina bobinadora de fibra óptica.
Essa máquina bobinadora é automatizada e o comprimento de fibra enrolada sobre o suporte foi monitorado por meio de um software desenvolvido na linguagem LabVIEW. Sobre cada camada de fibra óptica enrolada sobre o carretel de amido há uma camada de spray lacquer (produto para proteção de superfícies sob análise metalográfica), com a função de colar as espiras entre si. No final do processo, o amido é dissolvido em água e o resultado final é a bobina de fibra óptica auto-sustentável.
CARRETEL DE CARBONO VÍTREO Os carretéis de carbono vítreo foram obtidos a partir da polimerização e carbonização da resina furfurílica, sintetizada pela indústria Cersa. A viscosidade da resina furfurílica utilizada neste trabalho foi de 3.000 mPa.s a 25ºC. Não foram utilizadas viscosidades superiores, pois sabe-se que a qualidade do material polimerizado é prejudicada pelas dificuldades de manipulação da resina no preenchimento dos moldes e de retirada das bolhas de ar, durante a centrifugação. Para que ocorra a polimerização da resina furfurílica, devem ser adicionados 2,5% do catalisador ácido paratolueno-sulfônico
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(APTS). Em seguida, a resina foi centrifugada a 3.000 rpm, durante 40 minutos, em uma centrífuga MSE, modelo GF8, e transferida para moldes adequados ao formato desejado do produto final obtido. Após a transferência da resina para o molde, o material foi colocado à temperatura ambiente por 24 horas, sendo em seguida transferido para uma estufa (Fanen, modelo 315SE) a 60ºC, por duas horas. A conclusão do ciclo foi realizada à temperatura de 80ºC, mantendo o material por mais duas horas nessa condição (Botelho, 2000). Após curado, o material passou por um tratamento térmico de até 1.000˚C. Nos tratamentos térmicos de carbonização foi utilizado um aparato composto de um forno tubular monofásico Lindberg, com resistência espiral de Kanthal tipo A (até 1.300ºC) e tubo de Mulita com acabamento vitrificado, com 70 mm de diâmetro interno. Esse tratamento foi realizado sob atmosfera de Nitrogênio. A tabela 1 mostra o ciclo do tratamento térmico utilizado na obtenção das bobinas de carbono vítreo. Tab. 1. Ciclo do tratamento térmico de carbonização. TEMPERATURA FINAL (˚C) TAXA DE AQUECIMENTO (˚C/H) 200 ± 20 700 ± 70 1000 ± 100
10 5,4 10
CARACTERIZAÇÃO As medidas de resistividade elétrica, das amostras tratadas à temperatura máxima de 1.000ºC, foram realizadas pelo método dos quatro pontos, utilizando-se um equipamento desenvolvido no Laboratório de Materiais Carbonosos Estruturais do CTA. Os valores de resistividade elétrica (ρe) foram obtidos utilizando-se corpos-de-prova de carbono vítreo com dimensões de 60 mm x 10 mm x 2 mm. A massa específica aparente foi calculada a partir do quociente da massa pelo volume dos carretéis. A implicação disso é que a massa específica aparente é um valor médio que inclui os poros presentes no material. A massa das amostras já na forma de carretéis, após o tratamento térmico, foi determinada por uma balança analítica e o volume foi obtido por meio de um cálculo realizado no aplicativo computacional Autocad, após o modelamento em sólido com as mesmas dimensões.
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Os valores dos encolhimentos linear e volumétrico e da perda de massa da resina durante o tratamento térmico foram obtidos a partir das medidas do comprimento, da largura, da espessura e da massa do material inicial e final. As análises de rugosidade foram realizadas em um rugosímetro Perthometer Perthen, tipo 58 P-Mahr, ponteira mecânica FRW-750. Os diagramas de perfis de rugosidade obtidos nas análises forneceram os parâmetros de rugosidade máxima (Rmax), média (RZ) e aparente (Ra), que é a média de todas as alturas entre picos e vales da superfície do material. As análises de dureza foram realizadas em um medidor de microdureza digital. O equipamento utilizado fornece o cálculo final de dureza Vickers (HV). A escolha pela medida de dureza Vickers deve-se à precisão obtida, embora exija uma preparação cuidadosa do material a ser ensaiado, de modo a tornar nítida a impressão. A técnica de microscopia óptica foi utilizada para caracterizar as amostras de resina polimerizada e do carbono vítreo obtido. A textura das amostras de resina furfurílica polimerizada com o ácido paratoluenosulfônico e do carbono vítreo depende, principalmente, do processo de preparação da resina.
forma de carretel. Os valores encontrados foram: encolhimento linear (∆L) = 22%; encolhimento volumétrico (∆V) = 58%; e perda de massa (∆M) = 37% – valores estes próximos aos encontrados na literatura especializada (Rezende, 1991). O controle de ∆L, ∆V e ∆M faz-se necessário para a obtenção em série de carretéis que atendam às dimensões finais necessárias ao ajuste no GFO. O carbono vítreo obtido é caracterizado e os resultados comparados com materiais utilizados nesse tipo de aplicação, ou seja, o alumínio e a poliamida (fig. 7).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A tabela 2 compara os valores obtidos quanto ao coeficiente de dilatação térmica (α, obtido da literatura), à massa específica aparente (d), à resistividade elétrica (ρe), rugosidade aparente (Ra), dureza (HV) e, assim como a deformação térmica na fibra óptica devido ao suporte (Beer, 1989), com variação de temperatura de 1°C (δTemp) e a tensão de tração exercida pelo carretel (Beer, 1989), com variação de temperatura de 1°C (τ), do carbono vítreo (CV) com a poliamida 6 (PA6) e o alumínio (Al).
Na caracterização do carbono vítreo obtido foram utilizados corpos-de-prova retangulares e em forma de carretéis. A figura 6 mostra os corpos-deprova utilizados no presente trabalho. Fig. 6. Corpos-de-prova utilizados na caracterização do carbono vítreo obtido.
Fig. 7. Carretéis fabricados: (a) carbono vítreo, (b) alumínio, (c) poliamida.
Tab. 2. Comparação dos resultados obtidos. CARRETEL → CARBONO ALUMÍNIO POLIAMIDA PROPRIEDADES ↓ VÍTREO
Para a determinação da perda de massa da resina furfurílica carbonizada para a obtenção do carbono vítreo foram utilizados corpos-de-prova na
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α [°C-1] d [g/cm3] ρe [µΩ.m] Ra [µm] HV δTemp [µm] τ [MPa]
2 10-6 1,54 62,08 1,356 404,1 0,143 0,105
24 10-6 1,10 380 0,260 68,0 2,213 1,690
99 10-6 2,77 1016 0,530 7,7 9,760 7,127
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A tabela 3 mostra a influência da variação de 1ºC de temperatura sobre a fibra óptica, utilizandose o carretel auto-sustentável. Tab. 3. Resultados obtidos para carretel auto-sustentável. CARRETEL → AUTO-SUSTENTÁVEL PROPRIEDADES ↓ [µm] [MPa]
δTemp τ
0,054 0
δTemp = deformação térmica na fibra óptica devido à dilatação do suporte, com variação de temperatura de 1°C; τ = tensão de tração exercida pelo carretel resultante da variação de temperatura de 1°C. Como pode ser observado na tabela 2, a massa específica aparente do carretel de CV é maior que a massa específica aparente do carretel de PA, porém, inferior à do carretel de Al. A partir da análise do coeficiente de dilatação térmica, observou-se que o CV apresenta resultado inferior ao dos outros materiais, característica esta de extrema importância para esse tipo de aplicação, que necessita de um material que apresente a mínima deformação térmica possível. Correlacionando-se os valores de massa específica com os de coeficiente de dilatação térmica, pode-se concluir que, apesar da massa específica do CV ser superior à da PA, os carretéis de CV mostram-se mais adequados ao uso em GFO. Além disso, observou-se que o carbono vítreo obtido possui menor resistividade elétrica quando comparado ao alumínio e à poliamida (materiais estes que se encontram entre os de menor condutibilidade de eletricidade). Essa característica é necessária para se evitar o acúmulo de eletricidade estática, prejudicial à eletrônica de alta sensibilidade presente no circuito óptico do GFO. Apesar da rugosidade do carretel de carbono vítreo ser superior em relação à rugosidade das outras amostras (como evidenciado na tab. 2), a superfície obtida ainda mostra-se adequada para ser aplicada na preparação de bobinas para GFO, pois sabe-se que o diâmetro do núcleo da fibra óptica é de 5 µm (Almeida, 1997) e apenas rugosidades acima desse valor poderão causar micro distorções, interferindo no circuito óptico. Além disso, o perfil
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de rugosidade do carretel de carbono vítreo pode ser melhorado com um processo de polimento. Deve-se evidenciar que a dureza de carretéis para aplicação em GFO não é uma questão limitante, mas sabe-se que materiais mais duros favorecem a obtenção de superfícies mais adequadas a tal tipo de aplicação, pois essas superfícies podem apresentar menores valores de rugosidade quando devidamente polidas e serem menos susceptíveis à deformação localizada, devido à compressão da fibra óptica ou de outro elemento de fixação mecânica. Sendo assim, o valor médio de dureza do carbono vítreo preenche os requisitos desejados de um material com potencial para esse tipo de aplicação. A figura 8 (a) apresenta a fotomicrografia representativa de diferentes amostras de resina furfurílica polimerizada e a figura 8 (b) mostra a fotomicrografia representativa do carbono vítreo obtido, na qual pode ser identificada a presença de macroporos. No material carbonizado foi observado um decréscimo no tamanho dos poros, devido ao encolhimento volumétrico da matriz polimérica durante o tratamento térmico de carbonização. A observação da presença desses vazios deve-se, principalmente, ao processo de preparação da resina. Sabendo-se que o diâmetro médio da fibra óptica é de 200 µm (Almeida, 1997), a presença desses macroporos no carbono vítreo, de tamanhos inferiores a 20 µm, não provoca danos ao enrolamento da fibra óptica.
CONCLUSÕES No caso em que há a necessidade de uma fixação rígida da bobina, um suporte mecânico permanente para o enrolamento se torna indispensável. Sendo assim, a utilização do carbono vítreo é a alternativa mais viável, pois fornece um baixo valor de deformação térmica na fibra óptica (0,143 µm) quando comparado aos carretéis de alumínio e de poliamida 6, considerando-se as mesmas condições, com variação de 1ºC de temperatura. Outra característica considerada adequada no caso da utilização de carretéis de carbono vítreo é a massa específica volumétrica ser igual a 1,54 g/cm3 e a resistividade elétrica média ser de 62,8 µΩ.m, propriedades satisfatórias para a aplicação em GFO.
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Fig. 8. (a) Fotomicrografia óptica da resina furfurílica polimerizada (100x); (b) fotomicrografia óptica do carbono vítreo (1.000x).
(a) A obtenção de uma bobina auto-sustentável mostrou ser outra alternativa viável, sendo um processo mais econômico se comparado com a utilização do carbono vítreo. No entanto, um estudo mais aprofundado deve ser realizado para se poder garantir a total eficiência da obtenção dessas bobinas.
(b) Agradecimentos Os autores agradecem à FAPESP; à empresa Cersa S.A. pelo fornecimento da resina furfurílica utilizada; e ao Dr. José Maria Marlet, cujas idéias auxiliaram na obtenção dos carretéis auto-sustentáveis.
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