¿Qué es la fibra de carbono y como se hace?

La fibra de carbono es exactamente lo que parece: fibra hecha de carbono. Pero, estas fibras son sólo una base. Lo que comúnmente se conoce como fibra de carbono es un material que consiste en filamentos muy finos de átomos de carbono. Cuando se unen con resina polimérica plástica por calor, presión o vacío, se forma un material compuesto que es a la vez fuerte y ligero.

Al igual que la tela, los diques de castores o una silla de ratán, la fuerza de la fibra de carbono está en el tejido. Cuanto más complejo sea el tejido, más duradero será el compuesto. Es útil imaginar una pantalla de alambre que está entretejida con otra pantalla en un ángulo, y otra en un ángulo ligeramente diferente, y así sucesivamente, con cada alambre en cada pantalla hecha de hilos de fibra de carbono.fibra de carbono

Ahora imagine esta malla de pantallas empapadas en plástico líquido, y luego presionadas o calentadas hasta que el material se fusiona. El ángulo del tejido, así como la resina utilizada con la fibra, determinarán la resistencia del compuesto total. La resina es más comúnmente epoxi, pero también puede ser termoplástica, poliuretano, éster vinílico o poliéster.

Alternativamente, un molde puede ser fundido y las fibras de carbono aplicadas sobre él. El compuesto de fibra de carbono se deja curar, a menudo por medio de un proceso de vacío. En este método, el molde se utiliza para lograr la forma deseada. Esta técnica es preferible para los formularios sencillos que se necesitan a petición.

El material de fibra de carbono tiene una amplia gama de aplicaciones, ya que se puede formar a diferentes densidades en formas y tamaños ilimitados. La fibra de carbono a menudo tiene forma de tubo, tela y tela, y puede ser moldeada a medida en cualquier número de partes y piezas compuestas.

Usos comunes de la fibra de carbono

  • Componentes de automóvil de alta gama
  • Cuadros de bicicleta
  • Cañas de pescar
  • Suelas de zapato
  • Bates de béisbol
  • Fundas protectoras para portátiles e iPhones

¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?

También llamada fibra de grafito o grafito de carbono, la fibra de carbono consiste en filamentos muy finos del elemento carbono. Las fibras de carbono tienen una alta resistencia a la tracción y son muy fuertes para su tamaño. De hecho, la fibra de carbono podría ser el material más fuerte que existe.fibra de carbono usos

Cada fibra tiene un diámetro de 5-10 micras. Para dar una idea de lo pequeño que es, un micrón (um) es 0.000039 pulgadas. Una hebra de tela de araña de seda es generalmente entre 3-8 micrones.

Las fibras de carbono son dos veces más rígidas que el acero y cinco veces más fuertes que el acero (por unidad de peso). También son altamente resistentes químicamente y tienen tolerancia a altas temperaturas con baja expansión térmica.

Las fibras de carbono son importantes en materiales de ingeniería, aeroespaciales, vehículos de alto rendimiento, equipos deportivos e instrumentos musicales, por nombrar sólo algunos de sus usos.

Materias primas

La fibra de carbono está hecha de polímeros orgánicos, que consisten en largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. La mayoría de las fibras de carbono (alrededor del 90 por ciento) se fabrican a partir del proceso de poliacrilonitrilo (PAN). Una pequeña cantidad (alrededor del 10 por ciento) se fabrica a partir del rayón o del proceso de brea de petróleo.

Los gases, líquidos y otros materiales utilizados en el proceso de fabricación crean efectos, calidades y grados específicos de fibra de carbono. La fibra de carbono de mayor calidad con las mejores propiedades de módulo se utiliza en aplicaciones exigentes como la aeroespacial.

Los fabricantes de fibra de carbono se diferencian entre sí en las combinaciones de materias primas que utilizan. Por lo general, tratan sus formulaciones específicas como secretos comerciales.

Proceso de fabricaciónfibra de carbono fabricacion

En el proceso de fabricación, las materias primas, que se denominan precursores, se transforman en largas hebras o fibras. Las fibras se tejen en tela o se combinan con otros materiales que se enrollan en filamentos o se moldean en formas y tamaños deseados.

Hay típicamente cinco segmentos en la fabricación de fibras de carbono a partir del proceso PAN. Estos son:

  • Girando. PAN mezclado con otros ingredientes e hilado en fibras, las cuales son lavadas y estiradas.
  • Estabilizando. Alteración química para estabilizar la adhesión.
  • Carbonizando. Fibras estabilizadas calentadas a muy alta temperatura formando cristales de carbono fuertemente adheridos.
  • Tratamiento de la superficie. La superficie de las fibras se oxida para mejorar las propiedades de adhesión.
  • Tallaje. Las fibras son recubiertas y enrolladas en bobinas, las cuales son cargadas en máquinas de hilar que retuercen las fibras en hilos de diferentes tamaños. En lugar de ser tejidos en telas, las fibras pueden ser formadas en compuestos. Para formar materiales compuestos, el calor, la presión o el vacío unen las fibras con un polímero plástico.

Desafíos de la fabricación

La fabricación de fibras de carbono conlleva una serie de retos, entre ellos:

  • La necesidad de una recuperación y reparación más rentable.
  • El proceso de tratamiento de la superficie debe ser cuidadosamente regulado para evitar la creación de fosas que podrían resultar en fibras defectuosas.
  • Se requiere un control minucioso para asegurar una calidad consistente.
  • Cuestiones de salud y seguridad
  • Irritación de la piel
  • Irritación respiratoria
  • Arco y cortocircuitos en equipos eléctricos debido a la fuerte conductividad eléctrica de las fibras de carbono.

El futuro de la fibra de carbonofibra de carbono usado en coches

Debido a su alta resistencia a la tracción y su ligereza, muchos consideran que la fibra de carbono es el material de fabricación más importante de nuestra generación. La fibra de carbono puede jugar un papel cada vez más importante en áreas como:

  • Energía: Palas de molinos, almacenamiento y transporte de gas natural, pilas de combustible.
  • Automóviles: La tecnología de fibra de carbono, que actualmente se utiliza sólo en vehículos de alto rendimiento, está adquiriendo un uso cada vez más amplio. En diciembre de 2011 General Motors anunció que está trabajando en compuestos de fibra de carbono para la producción masiva de automóviles.
  • Construcción: Hormigón prefabricado ligero, protección antisísmica.
  • Aviones: Aviones de defensa y comerciales. Vehículos aéreos no tripulados.
  • Exploración petrolera: Plataformas de perforación en aguas profundas, tubos de perforación.
  • Nanotubos de carbono: Materiales semiconductores, naves espaciales, sensores químicos y otros usos.

En 2015, la fibra de carbono tenía un mercado de 2.250 millones de dólares. Las proyecciones indican que el mercado se expandirá a 31.000 millones de dólares en 2024. Para lograr esto, los costos deben ser reducidos y las nuevas aplicaciones deben ser dirigidas.