fibra de carbono
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Fibra de carbono
Fibra de carbono vista con una lupa
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La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente porcarbono.1 Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero.
La principal aplicación es la fabricación de materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— conpolímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.
Índice
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1 Estructura
2 Propiedades
3 Elementos que se pueden elaborar con la fibra de carbono
4 Referencias
5 Véase también
6 Enlaces externos
Estructura[editar]
Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro (desde abajo a la izquierda hasta arriba a la derecha),
comparado con un cabello humano.
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.
La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de alta conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.
Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad * 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.
Propiedades[editar]
Tela de fibra de carbono.
Las propiedades principales de este material compuesto son:
Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
Baja densidad, en comparación con otros materiales como por ejemplo el acero.
Elevado precio de producción.
Resistencia a agentes externos.
Gran capacidad de aislamiento térmico.
Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza
matriz termoestable.
Las razones del elevado precio de los materiales realizados con fibra de carbono se deben a varios factores:
El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de
producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C-
en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad
que se desee obtener, ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus
características una vez se ha obtenido la fibra.
El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya
que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.
Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería .
Elementos que se pueden elaborar con la fibra de carbono[editar]
El BMW i3 tiene carrocería de fibra de carbono.
Medios de transporte
Construcciones
Material deportivo
La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora,
al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica,
al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de
bolsillo y relojes.
La fibra de carbono, un material para el siglo 21Pascual Bolufer. Físico del Instituto Químico de Sarriá15/03/2007
La fibra de carbono es el desarrollo más reciente en el campo de los materiales
compuestos siguiendo la idea de que uniendo fibras sintéticas con varias resinas, se
pueden lograr materiales de baja densidad, muy resistentes y duraderos.
La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al
bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al
deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y
relojes.
La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra. Existen muchas
clases de FC con propiedades diversas, adaptadas a muchas aplicaciones.
Para hacernos una idea, basta comparar la FC con el acero:
Característica FC Acero
Mód. de resistencia a la tracción 3,5 1,3
Resistencia específica 2,0 0,17
Densidad 1,75 7,9
Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor.
En cuanto a módulo de elasticidad hay una amplia gama de FC desde 240 hasta 400.
Otras propiedades muy apreciables en la fibra de carbono son la resistencia a la corrosión, al
fuego e inercia química y la conductividad eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva
su forma.
Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte: el nombre
de las FC que refuerzan la matriz de resina.
La fibra de carbono es un polímero convertido en fibra. En la mayoría de los casos, las FC
permanecen como carbón no grafítico. El término fibra de grafito solo está justificado, cuando
las FC han sido sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (2000-3000 ºC),que les
confiere un orden cristalino tridimensional, observable mediante rayos X.
La cristalografía de rayos X nos permite conocer la estructura exacta de cada tipo de FC. Nos
resulta extraño, pero nos recuerda mucho al grafito: una estructura hexagonal. El grafito, la
mina de lápiz, es todo lo contrario: blando y frágil. Es un alótropo del carbono.
A nivel atómico no podemos comprender las diferencias entre la fibra de carbono y el grafito,
pero la estructura es diferente: observamos muchos cambios en la superposición de las fibras
y las cintas en la FC y en el grafito.
El grafito tiene una estructura plana triangula con enlaces triples y queda un electrón libre.
Este electrón libre explica que el grafito es una de las pocas estructuras no metálicas que
conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora.
La fibra de grafito cristaliza en el sistema exagonal,el panal de abeja. La mayoría de las fibras no son de grafito sino de carbono,obtenidas a menor temperatura.
Examinar la fibra de carbono es estudiar el carbono
Es sin duda el más versátil de los elementos que conoce el hombre, como podemos ver por el
hecho de que es la base de la vida en el planeta. El carbono forma parte de toda la química
orgánica y de 20 millones de moléculas conocidas, de las cuales el 79 por ciento las
clasificamos como orgánicas.
El átomo de carbono tiene 6 electrones, con la particularidad de que puede formar 4 enlaces
covalentes con otros átomos, con lo cual adquiere una geometría de tetraedro, que nos
recuerda al diamante.
El carbono se puede combinar con muchos elementos como: N, S, O, Cl, Br y P que son
estables termodinámicamente, y con otros átomos de carbono con uniones muy fuertes (el
diamante) y puede formar cadenas de carbonos de gran longitud.
Síntesis de la fibra de carbono
Un método común de obtener filamentos de carbono es la oxidación y pirólisis térmica del
PAN (poliacrilonitrilo), un polímero usado para crear muchos materiales sintéticos. Como todos
los polímeros, el PAN forma largas cadenas de moléculas, alineadas para hacer el filamento
continuo. Cuando se caliente el PAN en correctas condiciones de temperatura, las cadenas
PAN se juntan lado a lado, para formar cintas de grafeno.
El precursor más usado para obtener la fibra es el PAN (poliacrilonitrilo).Es el resultado de los
trabajos de Shindo, a principio de los años 60 en Japón, posteriormente continuados por Watt,
en Inglaterra y Bacon y Singer en EE.UU..
Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y
cloruro de vinilo.
El PAN o su copolímero es hilado utilizando la técnica de hilado húmedo. También se emplea
la técnica de hilado fundido a veces. El primer paso es estirar el polímero de forma que quede
paralelo a lo que será el eje de la fibra y se oxida a 200-300 ºC en aire, un proceso ,que añade
oxígeno a la molécula de PAN y crea la estructura hexagonal. El polímero que antes era
blanco, ahora es negro.
El segundo precursor es una mesofase de la brea-alquitrán (petroleum-pitch y coal-pitch).
La mesosfase líquida cristalina de alquitrán se utiliza para obtener fibras de alto módulo.
Petróleo, carbón mineral y policloruro de vinilo son las fuentes comunes del alquitrán. Desde
1980 se obtienen FC a partir de breas de mesofase de alto módulo para aplicaciones que
requieren fibras de muy altas prestaciones.
Finalmente recordemos a la celulosa, pero es menos empleada.
Las fibras basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre 5 y 7 micras. Y las del
alquitrán 10-12 micras.
Para ganar una regata, hace falta que el casco(el flotador)sea lo más ligero posible.De ahí la necesidad de un casco con fibra de carbono.Abajo,la orza de plomo,contrapesa a la vela,y equilibra al velero.
La FC se clasifica por el número de filamentos, en miles, de que consta la hebra. Una FC 3k
(3000 filamentos)es 3 veces más resistente que una de solo 1k, pero también pesa 3 veces
más.
Con esa hebra se teje una tela de FC.
Carbonización
Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de carbonización:
el PAN se calienta a 2500-2000 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del
polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadísimas ,bidimensionales, y se logra una
resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2.
La naturaleza nos da lecciones en el uso de materiales compuestos.
Grafitización
Si calentamos el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531 000
N/mm2.
Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego
impregnados en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que
darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la pala de una
hélice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las temperaturas de tratamiento:
La fibra de alto módulo
Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su módulo de elasticidad
supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el monocristal de “grafito” tiene un módulo
de 1050 GPa. El módulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de
aluminio.
La fibra de alta resistencia a la tracción
Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con valores superiores a
300 GPa.
La fibra estándar
Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en las anteriores; la
temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas.
La fibra de carbono activada
Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados.
Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores:
breas, rayón, poliacetatos, etc. Presenta una gran superficie específica y tamaño de poros
muy uniforme. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.
FC crecida en fase de vapor
Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de
vapor (en inglés: VGCF vapour ground carbon fibres). Por su variedad de tamaños son un
puente entre la FC convencional y la nanofibra.
La fabricación del material compuesto
La elección de la matriz afecta profundamente a las propiedades del producto acabado.
Admiramos a Alba Edison, que en 1879 patentó fibras de carbono como filamento para la
bombilla eléctrica. El utilizó como precursor hebras de bambú carbonizadas, que en el vacío
de la bombilla se ponían incandescentes y lograban durar 1200 horas. La lámpara de Edison
tenía un rendimiento de 2 lúmenes/Watio.
Edison no utilizó ninguna matriz, para lograr un producto terminado. Fue una excepción.
Lo normal es usar una matriz de resina y un molde. Supongamos que tenemos el molde de un
casco de regata de vela.
Se adhieren al molde delgadas hojas de FC, que toman la forma de la barca. Alineamos las
fibras del tejido en la dirección más conveniente, porque las fibras son anisotrópicas.
Impregnamos la tela de FC con resina.
Sobre la resina colocamos otra tela de FC impregnarla con resina, y así sucesivamente
sobreponiendo telas de FC y capas de resina.
En los puntos de casco en que las cargas son máximas al navegar por ejemplo la proa, el
espesor del casco será mayor.
El ala delta del X-32 realizada en FC.Foto Boeing X-32.
Es fácil ver que hay mucha mano de obra especializada. Cuanto más intensas son las cargas
que soportará el producto, por ejemplo: una pala de helicóptero, mayor cuidado pondremos en
alinear correctamente la dirección de la fibra.
Finalmente calentar la pieza, o curarla al aire. Expuesta al agua no sufrirá corrosión, y es muy
fuerte en comparación con lo poco que pesa.
Si en el molde hay burbujas de aire, la resistencia final quedará reducida.
Las matrices son termoestables o termoplásticas.
La fibra no se usa por sí misma, sino para reforzar matrices, por ejemplo: la ya citada resina
epoxy u otros plásticos termoestables. En algunas aplicaciones la matriz es termoplástica.
Los termoestables
Estos polímeros son plásticos que curados por calor, u otros medios, se transforman en un
producto infusible e insoluble. Son los más usados (el 90 por ciento) en los composites
estructurales.
El 65 por ciento de las matrices termoestables son poliésteres insaturados.
La mayor ventaja del termoestable es que tienen una viscosidad muy baja, y se pueden
introducir en las fibras a baja presión.
La impregnación de las fibras inicia el curado químico, que produce una estructura sólida, es
un proceso realizado isotérmicamente. El reciclado, en la práctica, no es posible.
Los termoplásticos
El termoplástico es capaz de ser ablandado repetidas veces por acción del calor, y endurecido
por enfriamiento. Se puede reciclar con facilidad, lo cual es muy importante en el sector del
automóvil. Su resistencia al impacto es excelente.
Los termoplásticos aportan la ventaja de que el moldeo no es isotérmico, es decir: el plástico
caliente y fundido se introduce en el molde frío, y así se logran ciclos muy cortos en tiempo.
Pero los termoplásticos polimerizados fundidos suelen tener viscosidades entre 500 y 1000
veces superiores a los termoestables. El proceso requiere pues altas presiones y aumento de
costes.
Últimamente hay el proceso de monómero líquido. La ventaja del monómero líquido
termoplástico (por ejemplo, PBT de Cyclics) consiste en que se procesa isotérmicamente
(inyección, polimerización, cristalización y desmoldeo a la misma temperatura), como si fuera
un termoestable.
“Hilo híbrido” es el último método de procesar termoplásticos: se introduce el polímero en
forma sólida, como polvo o fibra y se consigue que se mezcle con las fibras de carbono. El
”hilo híbrido” se convierte en tejido, u otras formas textiles, se aplica suficiente calor y presión,
el termoplástico se funde y llena la corta distancia que le separa de la fibra de carbono. A
continuación se enfría la pieza impregnada y logramos el material compuesto sólido.
El molde a presión o “La bolsa de vacío” es excelente para productos de calidad: el molde de
la regata de vela, con sus telas de FC impregnadas es introducida en una bolsa de paredes
impermeables y extraemos el vacío. Las paredes flexibles de la bolsa presionan fuertemente
el casco, y eliminamos las burbujas de aire. La interfase tela FC y la resina queda también
mejorada.
La fibra milagrosa
La Asociación japonesa de fabricantes de FC la llaman: “Ligera en peso, fuerte y duradera”.
Indudablemente tiene un gran porvenir industrial, incluso fuera del área aeronáutica-espacial.
Es el material tecnológico del siglo XXI, precursor de los nanomateriales. De alto precio, pero
con tendencia a bajar.
Baja densidad, exquisitas propiedades mecánicas, eléctricamente conductora, de alto módulo
elástico y de tracción, resistente al calor, baja expansión térmica, estabilidad química,
térmicamente conductora y además permeable a los rayos X, una propiedad importante en el
equipamiento médico.
La industria de transportes,en especial la aeroespacial lleva décadas buscando materiales
compuestos (C/C), para sustituir al metal. El objetivo es disminuir el peso de vehículo y
aumentar la eficacia.
La industria de satélites y de aviones militares lleva la delantera; el alto precio de los C/C no
es un inconveniente.
Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado,que utiliza la FC al máximo.Foto Boeing X-32.
El X-32A, de Boeing, es un excelente ejemplo
En los aviones comerciales ya se ha llegado a un 10-25 por ciento del peso total de la
aeronave. Por primera vez Boeing nos ofrece ahora el 787, para 250 asientos, con 50 por
ciento del peso en C/C, principalmente de fibra de carbono (FC).
En artículos de deporte: cañas de pescar, raquetas, bicicletas, coches fórmula 1, la fibra de
carbono ya es popular, aunque de alto precio.
La penetración seguirá aumentando hasta llegar a los coches de serie.
Fuera de transporte, en la construcción, un sector en donde el peso es algo secundario, se
emplea ya la fibra de carbono en puentes y pasarelas. Hasta aporta ventajas económicas
frente a los métodos tradicionales.
Referencias
• Braun, Dietrich. Identificación de plásticos. Ed. Hanser. 1989.
• Gay, D. Matériaux composites. Editions Hermes, 2005.
• Guizzo, Erico. Winner: carbontakeoff. IEEE,
New York. 2006.
• Hanson, M. Closer to assembling first 787 Dreamliner. Boeing. Seattle.2006.
• Ibarra, I. Materiales compuestos de matriz elastomérica termoplástica. R. de Plásticos
Modernos, diciembre 2005.
• Mallick, P. K. Fiber-reinforced composites. Marcel Dekker, Inc. 2004.
• Miravete, A. Hacia la fibra de carbono. Materiales de construcción, Vol. 51, julio-diciembre
2001.
• Seymour, R. S. Química de los polímeros. Reverté. Barcelona 2002.
LA FIBRA DE CARBONO
En la actualidad la fibra de carbono está mucho más presente en la vida cotidiana de lo que uno pueda pensar, pero sobretodo es en la industria del automovilismo o aeronaútica donde mayor partido se saca a esta fibra de tan magnificas propiedades.
La facultad del átomo de carbono para enlazarse fuertemente consigo mismo , es la base de todos los productos químicos. Sin el enlace carbono-carbono, la vida , como la conocemos hoy , no podría existir. Pero ahora , incrustando varias fibras basadas en cadenas de carbono en una matriz apropiada , los tecnólogos están creando materiales compuestos que aprovechan la fortaleza del enlace de carbono. Volumen por volumen , estos supermateriales sintéticos son tan fuertes como el metal , pero mucho más livianos y se pueden diseñar por ordenador.
La demostración más dramática de la robustez del enlace carbono-carbono , se ve cuando los átomos de carbono están dispuestos como un cristal de diamante , la más dura de las substancias conocidas. Pero cuando los átomos de carbono están dispuestos para producir un cristal de grafito los átomos se hallan en capas , y aunque el cristal no es especialmente resistente a la fuerza en ángulo recto con las capas , es muy fuerte cuando aquélla se ejerce paralelamente a esas capas.
El primer desafío para los ingenieros químicos que inventaron la fibra de carbono, fue orientar diminutos cristales individuales de un compuesto de la cadena de carbono. Un método de alineación de las fibras , consistía en estirarlas de modo que todos los cristales fueron sometidos a la tracción en la misma dirección. Pero más tarde se descubrió que las fibras producidas mediante
tratamiento térmico de un compuesto de la cadena de carbono , el pliacrilonitrilo (PAN), se alineaban de modo natural en determinada dirección , y el grado de alineación obtenido por este método químico , era mayor del que podía obtenerse por tracción.
Sin embargo, el paso crucial sobre el que se basa ahora la mayor parte de la producción de fibra de carbono , era combinar la tendencia del PAN a alinearse naturalmente con la tracción mecánica aplicada durante una fase intermedia del proceso de producción de PAN.
Las fibras de PAN son muy fuertes y extraordinariamente rígidas. Sin embargo , para obtener de esas características un aprovechamiento práctico , los ingenieros químicos tuvieron que encontrar un procedimiento para combinar las fibras con un material matricial apropiado para formar un compuesto. De este modo , los finísimos filamentos individuales de 7 a 8 micrometros de diámetro , se enlazan entre sí , permitiendo que se transfieran las cargas por toda la matriz de fibra a fibra en orden a lograr un rendimiento mecánico útil.
En los últimos años el tema de los compuestos de fibras , se ha ampliado de tal manera , que las fibras de carbono constituyen ahora sólo una de una serie de fibras de refuerzo con que se cuenta para su uso en materiales compuestos.
También se ha investigado una amplia gama de materiales matriciales , con
inclusión del vidrio , las cerámicas y varios polímeros. Se han elaborado incluso compuestos de matriz metálicas en aluminio , magnesio , estaño y plomo con cierto éxito y se emplean en aplicaciones extremadamente especializadas.
Una propiedad especial de los compuestos de fibras , es que son anisótropos: su fortaleza difiere de conformidad con la dirección en que se aplica una fuerza respecto de la dirección de las fibras. Por ejemplo , si se tira del material en paralelo a la dirección de las fibras tendrá una inmensa fortaleza , pero si se aplican fuerzas a 90º de la alineación de la fibra la resistencia del compuesto depende casi exclusivamente de la matriz de resina relativamente endeble.
Los laminados de fibra de Carbono
Si los compuestos se usan en hojas y si han de resistir fuerzas en más de una dirección , es necesario construir capas laminares alternadas de fibra y resina en direcciones diferentes. Con esta disposición , la capa laminar que proporciona la mayor parte de la fortaleza variará de acuerdo con la dirección de la fuerza de tracción aplicada.
Además de poseer propiedades diferentes en las direcciones longitudinal y
transversal , los compuestos exhiben diferentes propiedades de tracción y de compresión. En realidad, teniendo tantas propiedades que considerar , los materiales de fibras se convierten en algo extremadamente sofisticado para trabajar con ellos. Los cálculos propios de un componente sometido a un sistema de tensiones multidireccionales , son tan laboriosos , que se han creado especialmente programas de ordenador para ser usados de manera óptima en consonancia con la alineación específica de sus fibras.
Con la ayuda del ordenador , el proyectista puede seleccionar individualmente la fibra , la matriz , el contenido de la fibra y la orientación del laminado que proporcionarán la rigidez o la fortaleza necesarias , en la dirección y la ubicación deseadas. También pueden usarse ordenadores para controlar los sumamente intrincados modelos en que están colocadas las fibras , con miras a ofrecer la combinación óptima de propiedades mecánicas.
Los compuestos de plástico reforzado tienen una resistencia análoga a la del metal , si se comparan volumen por volumen. Sin embargo , los materiales son menos densos que los metales y por ello ofrecen importantes economías de peso. Los plásticos reforzados también se moldean fácilmente en formas de gran tamaño y aerodinámicamente eficientes , lo que reduce el número de piezas individuales que se necesitan para las estructuras metálicas
En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono. El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado americano con motores para aviones. Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites". Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la
fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces. Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión
La fibra de carbono es el término con el cual se hace referencia a un
material compuesto de índole no metálico y de la clase de los poliméricos.
En cuanto a la composición de la fibra de carbono, podemos decir que
está formado por una matriz.
A la misma se la conoce también con el nombre de fase dispersante, cuya finalidad
es la de darle forma a la resina. Dicha pieza o resina contiene un refuerzo que está
realizado mediante el empleo de fibras de carbono y cuya materia prima
constitutiva es el polietilnitrilio. Asimismo se trata de un material sumamente caro,
en especial porque tiene muy buenas propiedad mecánicas, las cuales son muy
elevadas, al tiempo que cuenta con una gran ligereza.
Otras razones por las cuales tienen un
precio muy elevado es porque se trata de un polímero sintético cuyo sistema de
producción es muy extenso y, por ende, más que costoso. A dicho proceso se lo
debe llevar a cabo con una temperatura alta que ronde los 1100º y 2500º en una
atmósfera de hidrógeno. Este proceso ha llegado a durar meses, siempre
dependiendo de la calidad que se busque para el resultado final. Por otra parte,
cuando se emplean materiales termoestables se puede llegar a retrasar el
procedimiento, fundamentalmente porque pasa a ser necesitado un complejo
utillaje o dispositivo especializado en el tema, siendo un buen ejemplo de esto el
horno calificado como autoclave.
La fibra de carbono, comparte con las de vidrio el caso de la metonomia,
es decir, un recurso literario que implica darle al todo el nombre de una
parte, como aquí ocurre con el de las fibras que funcionan como
reforzadoras del material y no viceversa. Debido a que es un material
compuesto, en casi todas las ocasiones lo que se emplea son polímeros
termoestables. En cuanto al polímero propiamente dicho, se trata de una suerte
de resina epoxy de la clase de las termoestables. Sin embargo, otro tipo de
polímeros (un ejemplo es el poliéster) se puede usar también como base para el
material que nos ocupa, a pesar de que esto no sucede muy frecuentemente.
Principales usos de la fibra de carbono
Entre los rasgos principales de la fibra
de carbono compuesto podemos destacar una gran cantidad. Uno de ellos
es su elevada resistencia a todo lo mecánico, ya que funciona con una
suerte de módulo de elasticidad muy elevado. Otra característica
importante es la baja densidad que posee, sobre todo si se trazan
paralelismos con otros elementos (el acero, por mencionar un
ejemplo). Su elevado precio es algo que definitivamente diferencia a este
material de otros y que se produce por las razones mencionadas anteriormente.
Otra clase de resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a los
agentes exteriores, a lo que podemos unir su capacidad para realizar un
aislamiento.
Una resistencia más que posee es aquella vinculada con las variaciones en los
grados de temperatura, pudiendo además conservar su forma, aunque siempre y
cuando intervenga la matriz termoestable. Asimismo, cuenta con buenas
propiedades ignífugas. En lo que respecta a los usos, la fibra de carbono es
ampliamente utilizada en industrias como la aeronáutica y automovilística, al
tiempo que puede ser empleada para la fabricación de barcos y bicicletas, donde
se destacan como fundamentales sus propiedades mecánicas y su relevante rasgo
de ligereza. Muchas computadoras portátiles, trípodes e incluso cañas para realizar
tareas de pesca también tienen este material en su composición.
Origen
Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la
época de fuerte trabajo de Thomas Edison, quien las preparó gracias a un
proceso de carbonización, que logró por el empleo de filamentos de otras
fibras (de bambú, celulosa). Las mismas fueron posteriormente utilizadas
para la preparación de otros filamentos: los de las lámparas
incandescentes.
Sin embargo, fue recién en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un
proceso industrial consistente en la obtención de este material y con la utilización
de un carbono de alto módulo de Young. Seis años después se obtuvieron fibras de
PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se desarrollaron muchas otras a partir del uso
de breas de carbón, de petróleo y de resinas fenólicas. En la década del ’80, se las
fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto módulo y las cuales
fueron destinadas a muy altas prestaciones
Fibra de carbonoIntroducción La fibra de carbono (fibrocarbono) es un material formado por fibras de 50-10 micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales que son más o menos alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra. La alineación de cristal da a la fibra de alta resistencia en función del volumen (lo hace fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela. Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial, ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros deportes. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Cuando se combina con una resina plástica es moldeada para formar un plástico reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado también como fibrocarbono) el cual tiene una muy alta relación resistencia-peso, extremadamente rígido, aunque el material es un tanto frágil. Sin embargo, las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como por ejemplo con el grafito para formar compuestos carbono-carbono, que tienen una tolerancia térmica muy alta.
Historia En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono. El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el
Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado americano con motores para aviones. Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites". Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces. Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.
Síntesis La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito. El grafito es una forma de carbono puro. En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de anillos aromáticos hexagonales.
La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen anillos.
Al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados.
Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen:
Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas:
De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito.
Estructura y propiedades Cada hilo de filamento de carbono es un conjunto de muchos miles de filamentos de carbono. Uno de estos filamentos es un tubo delgado con un diámetro de 5.8 micrómetros y se compone casi exclusivamente de carbono. La primera generación de fibras de carbono (es decir, T300 y AS4) tenían un diámetro de 7.8 micrómetros. Más tarde, se alcanzaron fibras (IM6) con diámetros que son aproximadamente de 5 micras.
Tela de fibra de carbono
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles (fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características blandas y quebradizas. Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas y turbostráticas. En fibra de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2.200°C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener alta resistencia a la tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea de mesofase derivada en fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica.
Proceso de fabricación Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor es primeramente hilado en filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono obtenida. Las composiciones de precursores y de los procesos mecánicos utilizados durante el hilado pueden variar entre los fabricantes. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo. Después de embutición o hilatura en húmedo (a veces también se emplea la técnica de hilado fundido), las fibras de polímero se calientan para eliminar los átomos que no sean de carbono (carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Las fibras de carbono pueden ser sometidos a un tratamiento de mejorar las cualidades de manejo, luego son enrolladas en bobinas. Las bobinas se utilizan para suministrar a máquinas que producen hilos de fibra de carbono o tejido. Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN en una atmósfera con aire (oxidación) a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad (77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²).
Aplicaciones La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC). Las tercnicas utilizadas para materiales poliméricos son: moldeo manual (hand lay up), espreado (spray lay up), pultrusión, bobinado de hilo, compresión, BMC,SMC, SCRIMP, RTM, etc. Los materiales no poliméricos también se puede utilizar como matriz de las fibras de carbono. Debido a la formación de metal carburos metálicos y corrosión, el fibrocarbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica. El RCC (carbono-carbono reforzado) se compone de refuerzo de fibrocarbono con grafito, y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también tiene uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a la corrosión, y como un componente anti-estático. La demanda global de materiales compuestos de fibra de carbono se valoró en aproximadamente EE.UU. $ 10,8 mil millones de dólares en 2009, el cual disminuyó 10.8% respecto al año anterior. Se espera que llegue en EE.UU. a 13,2 mil millones de dólares en 2012 y que aumente a 18,6 mil millones de dólares en EE.UU. en 2015 con una tasa de crecimiento anual del 7% o más. Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.
Caña de pescar telescópica
Notebook con carcaza de PRFC
Aspas de molinos de viento
Velero con casco de fibra de carbono (B60 Sloop)
Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado, que
utiliza la fibra de carbono al máximo. Foto Boeing X-32
Fibra de carbono o Fibra de carbón. Es un material compuesto no metálico de tipo polimérico, constituido principalmente por carbono. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan
Fibra de carbono
Es un material más resistente que el acero y mucho más liviano.
ligero como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero. Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo refuerzan.
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1 Origen 2 Propiedades principales del carbono 3 Uso y aplicaciones 4 Composición 5 Fuente
OrigenLa fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y relojes.
Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la época de fuerte trabajo de Thomas Alva Edison, quien las preparó gracias a un proceso de carbonización, que logró por el empleo de filamentos de otras fibras (de bambú, celulosa). Las mismas fueron posteriormente utilizadas para la preparación de otros filamentos: los de las lámparas incandescentes.
Sin embargo, fue recién en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un proceso industrial consistente en la obtención de este material y con la utilización de un carbono de alto módulo de Young. Seis años después se obtuvieron fibras de PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se desarrollaron muchas otras a partir del uso de breas de carbón, de petróleo y de resinas fenólicas. En la década del ‘80, se las fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto módulo y las cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones.
Durante la década de los 70’s, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas permitió la introducción de las fibras de carbón hechas a partir del procesamiento de la brea de petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Desafortunadamente, sólo tenían una resistencia limitada a la compresión y no eran ampliamente aceptadas.
Actualmente, las fibras de carbón son parte importante de muchos productos y nuevas aplicaciones son desarrolladas cada año. Los Estados Unidos,Japón y Europa Occidental son los principales productores de fibras de carbón.
Propiedades principales del carbono
Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el
acero. Elevado precio de producción. Resistencia a agentes externos. Gran capacidad de aislamiento térmico. Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se
utiliza matriz termoestable. Resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad
eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva su forma.
Uso y aplicacionesTiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pescar e incluso en joyería entre otra amplia gama de componentes donde es necesario un material ligero y de alta resistencia.
Es sin duda el más versátil de los elementos que conoce el hombre, como podemos ver por el hecho de que es la base de la vida en el planeta. El carbono forma parte de toda la química orgánica y de 20 millones de moléculas conocidas, de las cuales el 79% se clasifican como orgánicas.
ComposiciónLa FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra largas y delgadas de 0.0002-0.0004 pulgadas (0.005-0.010 mm) de diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbón se enlazan en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelamente al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño. Varias miles de fibras de carbón son retorcidas juntas para formar un hilo, que puede ser usado por sí solo o como tejido de una tela. El hilo o tejido es combinado con un epóxido y se adhiere o moldea para dar forma a varios tipos de materiales compuestos.
Las fibras de carbón son diez veces más fuertes que el acero y ocho veces más que el aluminio, sin mencionar que la fibra de carbón es mucho más ligera que ambas, 5 y 1.5 veces respectivamente. Adicionalmente, sus propiedades de fatiga son superiores a todas las estructura metálicas y son uno de los materiales más resistentes a la corrosión disponibles, cuando se combinan con las resinas adecuadas.
Durante el proceso de fabricación son usados una variedad de gases y líquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra y
conseguir efectos específicos. Otros materiales son diseñados para no reaccionar o para prevenir ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, la composición exacta de muchos de estos materiales de proceso son considerados secretos comerciales.
El proceso para hacer las fibras de carbón es parte químico y parte mecánico. El precursor es estirado en largos hilos o fibras y luego se calienta a temperaturas muy altas sin permitir que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no se puede quemar. En cambio, la temperatura alta hace que los átomos en la fibra vibren violentamente hasta que la mayoría de los átomos no-carbonos sean expulsados. A este proceso se le denominacarbonización.
Para tener idea de la resistencia de este material compararla con el acero:
Característica FC Acero Módulo de resistencia a la tracción 3,5 1,3 Resistencia específica 2,0 0,17 Densidad 1,75 7,9
Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor