Análisis Técnico – Fibra de carbono

La fibra de carbono – alternativamente denominada fibra de grafito – es un polímero (hecho a partir de otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, en un proceso de polimerización vinílica por radicales libres, que no es más que sintentizar moléculas que contienen enlaces dobles de carbono-carbono), que es una forma de material de fagrito consistente en fibras extremadamente finas de entre 5mm y 10mm de diámetro compuesto, en su mayoría, de átomos de carbono.

Los átomos de carbono están unidos entre sí formando cristales microscópicos (anillos hexagonales aromáticos), que están más o menos alineados en paralelo a lo largo del eje de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño.

Varias miles de fibras de carbono se trenzan para formar un simple hilo, que se puede usar por sí mismo o ser tejido en una tela. Esta fibra de carbono se puede combinar con el epoxi (poliepóxido, un polímero o resina termoestable) siendo enrrollado o moldeado con el fin de producir materiales compuestos como el plástico reforzado de fibra de carbono, que proporciona un material de alta resistencia en relación con el peso.

Fibras de carbono enrrolladas.

La densidad de la fibra de carbono también es considerablemente menor a la del acero, por lo que es idóneo para fines que requieran poco peso. Las propiedades de la fibra de carbono, tales como la fuerza, el peso, la baja expansión térmica y el estilismo hacen que sea muy popular en la industria aeroespacial, militar y los deportes de motor, entre otros deportes de competición.

Sin embargo, no se utiliza por sí mismo, sino que se emplea para reforzar materiales como las ya mencionadas resinas epoxi y otros materiales termoestables. Por este motivo, estos materiales se les denomina compuestos, ya que están formados por varios componentes.

Los elementos reforzados por fibra de carbono son muy resistentes para su peso. Más fuertes y más ligero, incluso, que el acero. Por ello, se dispone para reemplazar a los metales en muchas aplicaciones, como piezas para aviones, transbordadores espaciales llegado hasta raquetas de tenis y palos de golf.

Polimerización de radicales libres del acrilonitrilo a poliacrilonitrilo, polímero empleado para la fibra de carbono.

Su fabricación comienza con otro polímero, el poliacrilonitrilo. Se calienta este polímero, que reacciona formando unidades repetidas de ciano que producen ciclos. Posteriormente se vuelve a calentar a una temperatura más elevada para que el carbono deje a un lado los átomos de hidrógeno, convirtiendo los anillos en aromáticos, o lo que es lo mismo, un hidrocarburo. Al final de este proceso este polímero se organiza en anillos de piridina fusionados.

Una vez más se vuelve a calentar a una temperatura de entre 400 y 600ºC causando que las cadenas adyacentes se unan. Esto expulsa el gas hidrógeno y nos da un polímero de anillos condensados en forma de cinta.

La aplicación reiterada de calor a mayor temperatura sobre el polímero crea el nido de abeja.

Pero este proceso aún no acaba aquí, porque el polímero se vuelve a calentar a 1300ºC para formar cintas aún más amplias expulsando el gas nitrógeno. Mientras todo esto ocurre, los átomos de nitrógeno van conformando el borde que estiran de las cintas haciéndolas más y más amplias hasta que dejen de quedar átomos de este tipo. Una vez finalizado todo el desarrollo, quedan anillos muy amplios de carbono casi puro en forma de grafito. Por este motivo, se le denomina fibra de carbono.

La fibra de carbono en la industria se puede clasificar de 3 formas: PAN (poliacrilonitrilo), tono y rigidez. De estas 3 ramas, el campo del poliacrilonitrilo es el que mayor producción tiene junto con la mayor utilización en volumen.

A comienzos de los años 70, la producción comercial de los basados en PAN y la fibra de carbono isotrópica basada en la tonalidad empezaron a producirse en masa. Siendo a mitad de los 80 cuando la fibra de carbono basada en tonalidad anisotrópica irrumpió en el mercado.

El consumo de fibra de carbono en sí mismo no es una norma. Sin embargo, los clientes que se abastecen de ella la aplican para el refuerzo y/o funcionalidad de materiales compuestos, hechos con resina, cerámica o metal como matriz de la misma.

La fibra de carbono se suministra extensamente para una gran variedad de aplicaciones con características mecánicas superiores, como la resistencia específica a la tracción o un módulo específico, y otras propiedades debido a la composición del carbono (baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica, resistencia al calor, estabilidad química, auto-lubricidad, etc).

Con sus particularidades supremas, se adopta en una gran variedad de usos. Los proveedores son capaces de proporcionar, mediante el empleo de diferentes materias primas y aplicaciones a procesos de producción divergentes, un vasta diversidad de especificaciones de fibra.

Tipo PAN: Es un tipo de fibra, producido por la carbonización del precusor poliacrilonitrilo (PAN), que tiene una alta resistencia a la tracción y un módulo de la elasticidad muy alto, con una práctica muy abundante de materiales estructurales compuestos en la industria aeroespacial, el campo industrial, además de artículos de ocio/deportivos.

Esta rama de la fibra de carbono es una agregación de fibra continua (filamentos), de entre 5 y 7 micras (la millonésima parte de un metro) de diámetro con 1,74-1,95 g/cm³ de densidad, generalmente.

Se denomina ‘hilo regular’ o ‘hilo pequeño’ a varios filamentos compuestos, tales como 1000, 3000, 6000, 12000 o 24000 filamentos, a fibras utilizadas en gran cantidad de aviones o campos deportivos o de ocio, haciendo buen desempeño de la baja densidad, la alta resistencia a cierta tracción específica o un alto módulo elástico específico. La fibra de base PAN ha llevado un papel importante en la expansión de mercado de la fibra de carbono.

El hilo grueso, con más de 40000 filamentos, es ligeramente menos resistente a la tracción. Se destina principalmente a campos industriales al ser un material relativamente barato, junto con el hilo regular. Este tipo de fibra se clasifica en un tipo estándar del módulo de elasticidad (240 gigapascales), módulo elástico intermedio (300 gigapascales) y el módulo de elasticidad alto (350 gigapascales).

Tipo tono: Otro tipo de fibra, fabricada por la carbonización de aceite/precursor de la brea de carbón. Tiene extensas propiedades yendo desde un módulo de elasticidad bajo a un módulo elástico ultra alto. Los de este último tipo son ampliamente adoptados en los componentes altamente rigidos con diversas aplicaciones como la alta conductividad térmica o eléctrica.

En cuanto al tono de la fibra, existen dos tipos. Continuo o discontinuo, según el respectivo proceso de hilado. También es clasificable en isotrópico (difícil grafitizabilidad) o anisotrópico (fácil grafitizabilidad), basado en la tonalidad cruda.

La fibra isotrópica es comúnmente fibra discontinua de 12 a 18 micras de diámetro con 1,6 g/cm3 de densidad, con un módulo elástico muy bajo de 40 gigapascales, además de una fuerza y conductividad térmica débil debido a su débil orientación estructural de átomos de carbono y cristalinidad de grafito subdesarrollado.

Con un coste bastante competitivo, la fibra de carbono isotrópica se aprovecha extensamente en los campos industriales debido a su ligereza, estabilidad química, resistencia al calor y características de abrasión.

Por otra parte, la fibra de carbono anisotrópica es fibra continua de filamentos de 7-10 micras de diámetro con 1.7-2.2 g/cm³ de densidad. Existiendo una variedad de 1000, 2000, 3000, 6000 y 12000 hebras por hilo, junto con una extensa variedad de grados del módulo elástico que van desde los 6 gigapascales hasta los 953 gigapascales – el PAN no puede alcanzar este rango.

Una fibra de este tipo de al menos 350GPa (gigapascales) tiene una capacidad de procesado más que fantástica gracias a una alta resistencia a la tracción, siendo de más de 2.5GPa, dedicado en campos deportivos/ocio que manejan una mayor rigidez que el hierro y un peso ligero (menos del 50% que el hierro) como material compuesto moldeado. Las utilidades de la fibra de módulo elástico ultra alto (600GPa) aún se están expandiendo, ya que cuenta con una rigidez más que excelente, contando con una conductividad térmica similar e incluso superior a la de algunos metales y una ligereza soberbia en términos de peso.

En 1981, la fibra de carbono y resinas hacen su aparición en la Fórmula 1 ofreciendo mejores capacidades mecánicas y térmicas. Este avance es visible esencialmente en áreas del diseño donde se precisan armaduras de tejidos compuestos.

La mayoría de los componentes de Fórmula Uno se laminan tradicionalmente de forma manual utilizando refuerzos continuos pre-impregnados de fibra de carbono, ya sean fibras unidireccionales o tejidos, también llamado tela.

Los diseños de protección de tela convencionales, comúnmente incluyen tejidos lisos de 2×2 en diagonal y sedosos. Cada uno de estos tienen un diferentes acabados en relación a la suavidad y dureza. La combinación de las distintas propiedades de cada estilo de ligamento indidivual tiene cierto nivel de compromiso, que ha impulsado la investigación y optimización del diseño del mismo.

Los avances en la ingeniería textil junto con la fabricación se han traducido en el desarrollo de telas de materiales de propagación (STF). Es decir, en lugar de agrupar la fibra de carbono en hilos estrechos y gruesos, la difusión se hace de forma delgada y ancha tejiéndolos permitiendo la elaboración de telas ultra ligeras.

Esto ofrece una serie de ventajas sobre los diseños más tradicionales de tela. La estructura plana de STF reduce la frecuencia angular de rizado, es decir, la distorsión indeseable de las fibras originadas por el entrelazado de la urdimbre y la trama en detrimento del redimiento mecánico, mientras que se mejora la impregnación de los refuerzos de fibra con resina de cara a situaciones húmedas.

Todo ello se traduce a un alto volumen de fibras rectas, con el consecuente aumento de las propiedades mecánicas del laminado, reduciendo la cantidad de exceso de resina, minimizando el peso entre un 20 y un 30%, dando un rendimiento mecánico similar a la construcción de una capa cruzada hecha de cintas unidireccionalmente colocadas. Los STF también ofrecen una mayor suavidad de la superficie mediante la reducción de los puntos entrelazados.

En última instancia, el ahorro significativo de peso, que mejora las propiedades mecánicas junto con el laminado fino, son las razones por la que los STF forman parte de los monoplazas de Fórmula 1, con sus muchos componentes, como el monocasco, carrocería, suelo y alerones, dado que se benefician del rendimiento superior que ofrece este compuesto.

La fibra de carbono tiene baja gravedad, exquisitas propiedades mecánicas (alta resistencia a la tracción, módulo elástico alto) y representaciones atractivas (conductividad eléctrica y térmica, resistencia al calor, bajo coeficiente de expasión térmico, estabilidad química, auto-lubricación, etc), lo que hacen de la fibra de carbono un estimulante para que los uduarios desarrollen numerosos tipos de prácticas.

Breve historia de la fibra de carbono

El Dr. Roger Bacon creó las primeras hebras de fibra de carbono en el Centro Técnico de Parma, a las fueras de Cleveland, Ohio. Las primeras fibras se elaboraron mediante el calentamiento de hilos de rayón hasta ser carbonizados. Un proceso ineficaz, dando como resultados unas fibras que contenían sólo un 20% de carbono con una resistencia y rigidez bastante bajos.

A principios de los 60, se desarrolló un proceso empleando poliacrilonitrilo como materia prima. Esto produjo una fibra de carbono que contenía aproximadamente un 55% de carbono, con características mucho mejores. Este proceso se convirtió rápidamente en el principal método para la fabricación de fibras de carbono.

El 14 de energo de 1969, Carr Reinforcements, tejió el primer tejido de fibra de carbono del mundo.

Durante la década de 1970, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas condujo a la introducción de fibras de carbono realizadas a partir de una brea de petróleo derivada del procesamiento de aceite. Fibras que contenían alrededor de un 95% de carbono con una alta resistencia a la flexión.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google