¿Tipos de materiales de fibra de carbono y cómo se fabrica la fibra de carbono?
La fibra de carbono es un material duradero, rígido y ligero, fabricado a partir de fibras de carbono que se calientan y estiran en hebras largas y delgadas antes de tejerlas o trenzarlas para formar una tela. Se utiliza ampliamente en industrias como la aeroespacial, la náutica, la automoción y la de artículos deportivos gracias a su combinación de resistencia y ligereza.
¿Qué es la fibra de carbono?
Las fibras de carbono, también conocidas como fibra de carbono (CF) o fibra de grafito, tienen un diámetro de entre 5 y 10 micrómetros (0.00020–0.00039 pulgadas) y están compuestas principalmente por átomos de carbono. Con una resistencia cinco veces mayor que la del acero y el doble de rigidez, las fibras de carbono ofrecen numerosas ventajas, como alta rigidez, resistencia a la tracción, relación resistencia-peso, resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica. Gracias a estas excepcionales propiedades, la fibra de carbono se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la ingeniería civil, el ámbito militar, las carreras de autos y otros deportes de competición. Sin embargo, estas ventajas tienen un coste mayor en comparación con otras fibras, como las de vidrio, basalto o plástico.
Las fibras de carbono se forman mediante la unión de átomos de carbono en cristales alineados paralelamente a su longitud, lo que resulta en una alta relación resistencia-volumen. Pueden usarse solas o tejidas en una tela, con diversas opciones de tejido disponibles, incluyendo liso y sarga.
Las fibras de carbono se combinan comúnmente con otros materiales, como el grafito, para producir compuestos reforzados de carbono-carbono con una excepcional tolerancia térmica. A menudo se mezclan con una resina plástica y se hornean para crear un polímero reforzado con fibra de carbono, conocido como fibra de carbono, que posee una alta relación resistencia-peso y es increíblemente rígido, aunque ligeramente frágil.
Los compuestos reforzados con fibra de carbono tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida la fabricación de piezas de aeronaves y naves espaciales, carrocerías de autos de carrera, ejes de palos de golf, cuadros de bicicletas, cañas de pescar, resortes de vehículos, mástiles de veleros y otros componentes que requieren tanto peso ligero como alta resistencia.
Propiedades de la fibra de carbono
La fibra de carbono es una alternativa superior y más duradera a diversos metales en una amplia gama de aplicaciones. Sus excepcionales características la hacen ideal para su uso en las industrias estructural, automotriz, aeroespacial y especializada. Analicemos estas notables propiedades con más detalle.
Conductor de electricidad
Los filamentos de fibra de carbono son conocidos por su conductividad eléctrica y se utilizan a menudo en aplicaciones como la protección contra rayos. Sin embargo, esta conductividad puede provocar corrosión galvánica en los accesorios, lo cual puede mitigarse mediante métodos de instalación adecuados.
Alta relación resistencia-peso
Una de las características que definen a la fibra de carbono es su impresionante relación resistencia-peso. La fibra de carbono es conocida por ser increíblemente fuerte, rígida y ligera. De hecho, se considera que un material tiene una alta relación resistencia-peso si es a la vez fuerte y ligero. Otros materiales con alta relación resistencia-peso incluyen el aluminio, el titanio, el magnesio, la fibra de carbono y de vidrio, y las aleaciones de acero de alta resistencia.
Resistente a la corrosión y químicamente estable
Si bien la fibra de carbono es duradera, es fundamental tener en cuenta los posibles daños que la luz solar puede causar al material epoxi, comúnmente utilizado en sus compuestos. Además, otras matrices que contienen fibra de carbono también pueden ser reactivas.
Resistencia a la fatiga
La fibra de carbono presenta una mayor resistencia a la fatiga y tolerancia al daño en comparación con otros materiales compuestos, como la fibra de vidrio. Al someterse a ciclos de tensión crecientes, la rigidez del material disminuye, revelando su daño por fatiga por tracción. Cabe destacar que, cuando las tensiones cíclicas se alinean con la orientación de la fibra, la falla es improbable.
Rígido o rígido
Mida la rigidez de un material mediante su módulo de Young, que define cuánto se deforma bajo tensión. El plástico reforzado con fibra de carbono es más de cuatro veces más rígido que el plástico reforzado con fibra de vidrio, 4 veces más rígido que el pino y 20 veces más rígido que el aluminio.
Frágil
Las capas de la fibra se deben a fuertes enlaces covalentes. Estas agregaciones laminares facilitan la propagación de grietas y, al doblarse, las fibras fallan a baja deformación.
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción de la fibra de carbono no siempre es constante debido a defectos internos, lo que genera diferentes niveles de tensión necesarios para que se produzca una falla. Pequeñas deformaciones pueden causar fallas en el material.
No tóxico y permeable a los rayos X
Los materiales compuestos de fibra de carbono no son tóxicos y son transparentes a los rayos X, lo que los hace ideales para fines médicos como prótesis, implantes, reparación de tendones, accesorios de rayos X, instrumentos quirúrgicos y más.
Expansión térmica baja
La baja expansión térmica de la fibra de carbono es ideal para situaciones donde se requiere una estabilidad dimensional precisa, ya que experimenta cambios mínimos de tamaño debido a las fluctuaciones de temperatura en comparación con los metales. Esto la convierte en la mejor opción para industrias que valoran la precisión.
No es inflamable
Un ejemplo de integración de fibra de carbono en la ropa de protección contra incendios es el uso de fibras recubiertas de níquel. Su inercia química las hace idóneas para situaciones con fuego y agentes corrosivos.
¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?
El proceso de fabricación de la fibra de carbono implica procedimientos químicos y mecánicos. A continuación, se presenta una explicación completa del proceso de producción de la fibra de carbono:
Paso 1: Preparación de materias primas o precursores
Para la producción de fibra de carbono, es esencial utilizar un precursor de polímero orgánico. Este precursor se refiere a la materia prima utilizada para crear la fibra de carbono, y aproximadamente el 90 % se deriva del poliacrilonitrilo (PAN). El 10 % restante se compone de materias primas como el rayón o la brea de petróleo, clasificados como polímeros orgánicos que consisten en largas cadenas moleculares unidas por átomos de carbono.
Paso 2: Estabilización y carbonización de las fibras
Antes del proceso de carbonización, el precursor se transforma en fibras largas. Esta transformación implica una alteración química del enlace atómico de las fibras para aumentar su estabilidad térmica en una estructura de escalera. Las fibras se calientan al aire a 390-590 °C (200-300 °F) durante 30-120 minutos, lo que promueve la absorción de moléculas de oxígeno del aire y, posteriormente, reorganiza el patrón de enlace atómico.
Tras estabilizar las fibras, se exponen a temperaturas muy altas (1,830-5,500 °F o 1,000-3,000 °C) durante unos minutos en un horno sin oxígeno. Esto evita que las fibras se quemen, ya que las altas temperaturas pueden eliminar átomos no carbonados de ellas. Como resultado, se forman cristales de carbono fuertemente unidos que se alinean paralelos al eje longitudinal de la fibra.
Paso 3: Tratamiento de la superficie de la fibra
Tras el proceso de carbonización, la superficie de las fibras presenta una adhesión deficiente a las resinas epóxicas y otras sustancias de los materiales compuestos. Para solucionar este problema, se oxida la superficie de las fibras, lo que mejora las propiedades de adhesión. La introducción de átomos de oxígeno no solo mejora la unión química, sino que también graba y rugosa la superficie para una mejor adhesión mecánica.
Para alterar las fibras, se pueden exponer a diversos gases y líquidos, como aire, dióxido de carbono, ozono, hipoclorito de sodio y ácido nítrico. Otro método consiste en recubrirlas electrostáticamente, colocándolas en un baño con diferentes sustancias conductoras y convirtiéndolas en el terminal positivo.
Paso 4: Dimensionamiento de las fibras
Una vez finalizado el tratamiento superficial, las fibras se recubren con materiales protectores para protegerlas de daños durante el bobinado o el tejido. Este proceso, conocido como encolado, implica la selección de materiales de recubrimiento adecuados para el adhesivo empleado en la fabricación de materiales compuestos. Los materiales de recubrimiento más utilizados incluyen diversas sustancias como epoxi, poliéster, nailon, uretano, etc.
Tras el recubrimiento, las fibras se enrollan en bobinas y se introducen en una máquina de hilar, donde se someten a un proceso de torsión para formar hilos de diferentes tamaños. Este proceso utiliza métodos científicos para crear hilos de alta calidad y calidad profesional. Los hilos resultantes están listos para su uso en diversas aplicaciones.
Breve historia y antecedentes de la fibra de carbono
En el siglo XIX, varios inventores utilizaron con éxito la fibra de carbono en la producción de bombillas, entre ellas Joseph Swan y Thomas Edison. Mediante técnicas de horneado a alta temperatura, estos inventores lograron crear un filamento íntegramente de carbono, que posteriormente se calentaba con electricidad para producir una luz brillante. Poco después, Lewis Latimer perfeccionó este concepto, creando un filamento de alambre de carbono fiable que se utilizó en las primeras bombillas incandescentes.
En 1958, Roger Bacon descubrió las fibras de carbono de alto rendimiento en el Centro Técnico Parma de Union Carbide en Cleveland, Ohio. Estas fibras se crean calentando hebras de rayón hasta su carbonización. Inicialmente, la fragilidad de la fibra de carbono limitó su uso, pero los avances en su fabricación han incrementado considerablemente su eficacia. Con una resistencia a la tracción de 4,000 MPa y un módulo de 400 GPa, la fibra de carbono se utiliza actualmente en una amplia gama de aplicaciones.
Tipos de fibra de carbono
Las fibras de carbono se pueden clasificar según el tipo de materias primas utilizadas, sus propiedades mecánicas y la temperatura final del tratamiento térmico.
Tipos según las materias primas
Hay dos categorías de fibra de carbono clasificadas según las materias primas utilizadas.
Fibra de carbono a base de brea
La fibra de carbono a base de brea es un tipo único de fibra que se crea mediante la carbonización de precursores de brea de petróleo o carbón. Esta fibra en particular posee diversas propiedades, que abarcan desde un módulo elástico bajo hasta uno ultraalto. Estas fibras, conocidas por su excepcional rigidez, se utilizan comúnmente en aplicaciones que requieren alta conductividad térmica o eléctrica.
Fibra de carbono basada en PAN
La fibra de carbono a base de PAN se genera mediante la carbonización del precursor de PAN (poliacrilonitrilo), lo que le confiere una resistencia a la tracción y un módulo elástico excepcionales. Esto la convierte en una opción popular para compuestos de materiales estructurales en aplicaciones aeroespaciales, industriales y deportivas/recreativas.
Tipos basados en propiedades mecánicas
Tipo de módulo elástico ultra alto (UHM)
El tipo UHM, también conocido como de módulo elástico ultraalto, presenta un módulo elástico a la tracción de al menos 600 GPa y una resistencia a la tracción de 2,500 MPa o superior. Esta fibra de carbono de módulo ultraalto se utiliza exclusivamente en las aplicaciones de ingeniería más avanzadas, como satélites, drones y equipos deportivos de competición, donde una rigidez excepcional por unidad de peso es esencial.
Tipo de módulo elástico bajo (LM)
El tipo LM tiene un módulo elástico inferior a 200 GPa y una resistencia a la tracción inferior a 3,500 MPa, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones.
Tipo de módulo elástico intermedio (IM)
El IM es un tipo de módulo elástico intermedio, con un rango de módulo elástico a tracción de 280 a 350 GPa y una resistencia a la tracción de al menos 3,500 MPa. Se utiliza comúnmente en industrias que exigen un alto rendimiento, como la aeroespacial, la automotriz y la fabricación de equipos deportivos.
Tipo de módulo elástico alto (HM)
El tipo de alto módulo elástico, o HM, se caracteriza por un módulo elástico a la tracción de 350 a 600 GPa y una resistencia a la tracción de al menos 2,500 MPa. Este tipo de fibra de carbono, comúnmente utilizada en la industria aeroespacial, automotriz y artículos deportivos avanzados, permite la producción de componentes ligeros manteniendo la resistencia.
Tipo de módulo elástico estándar (HT)
El módulo elástico HT, comúnmente conocido como tipo estándar, es el tema de debate. Su rango de módulo elástico a tracción es de 200 a 280 GPa y su resistencia a la tracción mínima estimada es de 2,500 MPa. Este material es adecuado para diversas aplicaciones, como componentes automotrices, equipos deportivos, turbinas eólicas y estructuras aeronáuticas.
Tipos según la temperatura final del tratamiento térmico
En cuanto a la temperatura final del tratamiento térmico, las fibras de carbono se clasifican en:
Fibras de carbono con tratamiento térmico bajo (LHT)
Las fibras de carbono LHT se someten a un proceso de tratamiento térmico a baja temperatura con una temperatura máxima de 1000 °C, lo que da como resultado un módulo y una resistencia más bajos.
Fibras de carbono con tratamiento térmico intermedio (IHT)
Las fibras de carbono IHT se someten a un tratamiento térmico final a 1500 °C o más, lo que las distingue por su resistencia y durabilidad. Estas fibras se utilizan comúnmente en aplicaciones de alta resistencia.
Fibras de carbono con tratamiento térmico elevado (HTT)
Cuando hablamos de fibras de tipo alto módulo, es importante tener en cuenta que las fibras de carbono de alto tratamiento térmico (HTT) deben someterse a una temperatura de tratamiento térmico final de más de 2000 °C.
Tipos de tejidos de fibra de carbono
En cuanto a la fibra de carbono, existe una variedad de tejidos, como sarga, satén y liso. Estos tejidos se utilizan comúnmente en telas de fibra de carbono.
tejido satinado
A lo largo de la historia, el satén se ha utilizado para producir telas de seda con una excelente capacidad de drapeado y un aspecto impecable y sin costuras. Su alta conformabilidad permite que los materiales compuestos se adapten fácilmente y envuelvan formas complejas. Sin embargo, este tejido carece de estabilidad debido a su flexibilidad. Los tipos más comunes de satén utilizados en la producción textil son el satén de 4 ligamentos (4HS), el satén de 5 ligamentos (5HS) y el satén de 8 ligamentos (8HS). A medida que aumenta el número de satén, también aumenta la conformabilidad, pero a expensas de la estabilidad del tejido.
Tejido de sarga
El tejido de sarga ofrece mayor flexibilidad y se adapta a contornos intrincados, lo que lo convierte en una opción superior al tejido de satén de arnés en cuanto a estabilidad del tejido. Sin embargo, su rendimiento es inferior al del tejido liso. En un tejido de sarga, cada hebra de estopa se coloca alternativamente por encima y por debajo de un número determinado de estopas, lo que da como resultado un patrón distintivo en forma de punta de flecha diagonal, conocido como "línea de sarga".
Tejido liso
La lámina de fibra de carbono de ligamento tafetán presenta un aspecto simétrico con un pequeño diseño de tablero de ajedrez. Las fibras se entrelazan en un patrón de arriba abajo, lo que contribuye en gran medida a su estabilidad. La estabilidad del tejido se define como la capacidad de un tejido para mantener el ángulo de su trama y la orientación de las fibras, y la pequeña distancia entre los entrelazados en el ligamento tafetán le confiere una gran estabilidad. Este tipo de ligamento es ideal para formas más simples, como curvas bidimensionales, tubos y láminas planas, ya que no es tan flexible para contornos complejos como otros tipos de ligamento.
Aplicaciones de la fibra de carbono
La fibra de carbono ofrece ventajas inigualables que la convierten en un material muy solicitado para aplicaciones de vanguardia en diversas industrias. Descubra su amplia gama de usos y aplicaciones en este completo resumen.
Automóvil A medida que disminuyen los costos, la fibra de carbono se está volviendo más común en vehículos premium y de competición para reducir el peso, manteniendo la resistencia y la rigidez. Sus aplicaciones incluyen paneles de carrocería, capós, techos, alerones y componentes estructurales. La fibra de carbono también puede contribuir a mejorar el consumo de combustible y la maniobrabilidad. Los monoplazas de Fórmula 1 dependen en gran medida de los materiales de fibra de carbono.
Aeroespacial La fibra de carbono se utiliza comúnmente en la industria aeroespacial por su excepcional relación resistencia-peso, rigidez y resistencia a la corrosión. Se encuentra frecuentemente en componentes de aeronaves como fuselajes, alas, palas de helicópteros, carcasas de cohetes y carenados de carga útil. El uso de fibra de carbono en aviones puede reducir el peso hasta en un 20 %, lo que la convierte en un material valioso. Sin embargo, una desventaja es el potencial de daño por impacto apenas visible (BVID) y su impacto en la seguridad de los componentes, que puede ser difícil de detectar y requiere una amplia capacitación y pruebas.
INGENIERÍA CIVIL Al usarse como refuerzos, las barras y cables de fibra de carbono pueden reforzar eficazmente las estructuras de hormigón, reemplazando el refuerzo de acero tradicional por una alternativa más ligera. Esto se traduce en una mayor resistencia a la tracción y una reducción del peso de la estructura en general. Además, los revestimientos y laminados de fibra de carbono pueden utilizarse para reforzar elementos estructurales como columnas y puentes.
Militares La fibra de carbono tiene una larga historia de uso en la iluminación de buques de guerra, pero ahora se ha convertido en un material versátil empleado en diversas aplicaciones militares, como misiles, drones, cascos y postes para tiendas de campaña. Su resistencia y ligereza la convierten en un recurso valioso para el ejército, facilitando su transporte y generando un importante ahorro energético.
Equipo deportivo La fibra de carbono es un material cada vez más popular en bicicletas de alta gama gracias a su diseño ligero y sus propiedades de mejora del rendimiento. También se utiliza comúnmente en otros equipos deportivos, como varillas de palos de golf, raquetas de tenis y palos de hockey. Más allá del ámbito deportivo, la fibra de carbono también se utiliza en diversos productos como cascos, ropa y equipos de protección. De hecho, la fibra de carbono es un material versátil con una amplia gama de usos, incluyendo aplicaciones en deportes de competición, donde se utiliza comúnmente para cascos y calzado.
Dispositivos médicos La biocompatibilidad y resistencia de la fibra de carbono han propiciado su aplicación en implantes ortopédicos, prótesis y equipos de resonancia magnética. Mediante el uso de polímeros reforzados con fibra de carbono, se pueden fabricar piezas de precisión como placas óseas, manteniendo la transparencia en las radiografías. Además, las prótesis de fibra de carbono ofrecen durabilidad, ligereza y comodidad.
Electrónica de consumo La fibra de carbono se utiliza comúnmente en productos electrónicos de consumo de alta gama, como portátiles, teléfonos, tabletas, trípodes y auriculares, para aumentar la durabilidad y reducir el peso. La incorporación de carcasas y componentes estructurales de fibra de carbono en dispositivos aumenta la resistencia y mejora la disipación del calor. Sus propiedades únicas también la convierten en un material valioso para productos que requieren transparencia electromagnética.
Resumen
La fibra de carbono se compone de hebras de carbono estrechamente unidas que crean una sustancia altamente resiliente, increíblemente fuerte y extremadamente ligera. Su excelente relación resistencia-peso, rigidez y resistencia al calor la convierten en la opción ideal para industrias que requieren ligereza y resistencia, como la aeroespacial, la médica, la construcción, la deportiva, la marina y la militar. Este material especial permite un moldeado complejo y un diseño preciso para maximizar la resistencia. En definitiva, ofrece una ventaja significativa al reducir significativamente el peso sin comprometer la durabilidad.
