La fibra de carbono es uno de esos materiales que siempre se ha relacionado con aplicaciones punteras, sin embargo, no paramos de escuchar hablar sobre ella últimamente. Pero, ¿qué es la fibra de carbono?
Como su propio nombre indica, la fibra de carbono es un material compuesto de al menos un 92% de carbono, cuya estructura puede ser cristalina, amorfa o parcialmente cristalina. La forma cristalina es idéntica a la estructura del grafito, átomos de carbono ordenado en láminas con un patrón regular hexagonal.
Es bien sabido que el grafito es un material muy blando. Esto es debido a que el enlace entre las capas atómicas de carbono con esta estructura es débil y deslizan con facilidad entre ellas. Por el contrario, tienen un alto módulo de elasticidad en dirección paralela al plano de enlace, mostrando gran anisotropía del material.
Aprovechando esta característica, el alto módulo de la fibra de carbono reside en el hecho de que las capas de carbono tienden a ser paralelas al eje de la fibra o, dicho de otra forma, existe una orientación cristalográfica preferida conocida como textura de la fibra.
Cuanto mayor es la textura, mayor es la densidad, el contenido de carbono, el módulo elástico de la fibra, la conductividad eléctrica y térmica paralela al eje de la fibra y menor el coeficiente de expansión térmica y la resistencia interna a cortadura.
La proporción de grafito en una fibra de carbono puede variar desde 0 al 100%. Así que en una misma fibra de carbono podemos encontrar tanto estructuras cristalinas como amorfas. Los enlaces de estas últimas son más fuertes, por lo que la resistencia se verá mejorada, aportando las excelentes propiedades mecánicas que conocemos de la fibra de carbono.
Obtención de la fibra de carbono
Cerca de un 90% de la fibra de carbono utilizada es producida a partir en un precursor de poliacrilonitrilo (PAN), el resto de rayón o brea de petróleo. Estos precursores sufren transformaciones químico mecánicas hasta que se obtiene el producto final como fibra de carbono.
Una fase importante es la carbonización, en el que las fibras se calientan en una atmósfera inerte a una temperatura de aproximadamente 1500 – 2500 ºC durante varios minutos con el fin de eliminar los átomos que no son de carbono.
Tras esta fase se le aplica un tratamiento superficial en el que se oxida ligeramente la superficie con el fin de mejorar las propiedades de unión. Además, se puede sumar un proceso intermedio de grafitización en el que se calienta el producto sobre los 2000 ºC con el fin de agrandar el grano y aumentar notablemente el módulo elástico, siendo fibras más frágiles. Por lo que podremos diferenciar entre fibras de alto módulo (HM) que aportan mayor rigidez o fibras de alta resistencia (HT) capaces de absorber mayor cantidad de energía.
Propiedades de la fibra de carbono
Variando los precursores, los porcentajes en composición y otros parámetros de producción se obtendrán fibras de carbono con determinadas características.
Sin embargo, las propiedades de la fibra de carbono se pueden resumir de forma general como:
· Alta resistencia específica
· Alta rigidez específica
· Ligero
· Alta resistencia a impactos
· Buena resistencia a desgaste
· Estabilidad dimensional, expansión térmica cercana a cero
· Conductividad eléctrica, puede producir corrosión galvánica
· Amplia variedad de formatos de fibras de carbono
· Densidad: 1800 Kg/m3
La principal ventaja que se observa respecto a los materiales convencionales, como el acero o el aluminio, son las altas propiedades específicas. Es decir, la relación entre resistencia y rigidez y el peso del componente, pudiendo encontrar fibras de carbono hasta 4 veces superiores en resistencia especifica que aceros convencionales.
Otros beneficios de la fibra de carbono es la flexibilidad que nos aporta en el diseño de componentes, así como la optimización del material debido a la comentada anisotropía o comportamiento diferente según la dirección.
Aplicaciones de la fibra de carbono
Debido a los procesos necesarios para conseguir productos finales de fibra de carbono, el coste es elevado. Sin embargo, la estandarización de estos procesos está permitiendo una disminución de los precios posibilitando usos más diversos y cotidianos. Desde que la fibra de carbono comenzó sobre 1963 a producirse para la construcción de las aeronaves del ministerio de Defensa del Reino Unido, las aplicaciones en aeronáutica y automoción de alto rendimiento han sido constantes y crecientes.
Hoy en día la fibra de carbono es un material medianamente accesible, utilizado en aplicaciones diversas como refuerzo de matrices poliméricas (FRP). Algunos sectores son el aeroespacial, naval, ferrocarril, biomédico, defensa, automoción, construcción, deportivo y electrónica.
Es común encontrarse con bicicletas, cascos de protección, o incluso palas de pádel de fibra de carbono.
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