fibras de carbono

Las fibras de carbono (también conocidas como CF, fibra de grafito) son fibras de aproximadamente 5 a 10 micrómetros (0,00020–0,00039 pulgadas) de diámetro, compuestas principalmente de átomos de carbono . ^{[ 1 ]} Las fibras de carbono presentan varias ventajas: alta rigidez, alta resistencia a la tracción, alta relación resistencia-peso, alta resistencia química, alta tolerancia a la temperatura y baja expansión térmica. ^{[ 2 ]} Estas propiedades han hecho que la fibra de carbono sea muy popular en la industria aeroespacial, la ingeniería civil, el sector militar, el automovilismo y otros deportes de competición. ^{[ 3 ]} Sin embargo, son relativamente caras en comparación con fibras similares, como la fibra de vidrio , las fibras de basalto o las fibras plásticas. ^{[ 4 ]}  

Para producir una fibra de carbono, los átomos de carbono se unen formando cristales que se alinean más o menos paralelamente al eje longitudinal de la fibra. Esta alineación cristalina le confiere a la fibra una alta relación resistencia-volumen (es decir, la fibra es resistente para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono se agrupan para formar un haz , que puede utilizarse solo o tejerse para formar una tela.

Las fibras de carbono se suelen combinar con otros materiales para formar un material compuesto . Por ejemplo, al impregnarlas con una resina plástica y someterlas a un proceso de horneado , se forma un polímero reforzado con fibra de carbono (conocido comúnmente como fibra de carbono), que presenta una relación resistencia-peso muy alta y es extremadamente rígido, aunque algo quebradizo. Las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como el grafito , para formar compuestos de carbono reforzados , que poseen una alta resistencia al calor.

Los materiales reforzados con fibra de carbono se utilizan para fabricar piezas de aeronaves y naves espaciales, carrocerías de coches de carreras, varillas de palos de golf, cuadros de bicicletas, trípodes para cámaras, cañas de pescar, muelles de automóviles, mástiles de veleros y muchos otros componentes donde se requiere ligereza y alta resistencia.

En 1860, Joseph Swan produjo fibras de carbono por primera vez para su uso en bombillas. ^{[ 5 ]} En 1879, Thomas Edison horneó hilos de algodón o astillas de bambú a altas temperaturas, carbonizándolos en un filamento de fibra de carbono que se utilizó en una de las primeras bombillas incandescentes calentadas por electricidad. ^{[ 6 ]} En 1880, Lewis Latimer desarrolló un filamento de alambre de carbono fiable para la bombilla incandescente, calentado por electricidad. ^{[ 7 ]}

En 1958, Roger Bacon creó fibras de carbono de alto rendimiento en el Centro Técnico de Union Carbide Parma, ubicado en las afueras de Cleveland , Ohio . ^{[ 8 ]} Estas fibras se fabricaban calentando hebras de rayón hasta que se carbonizaban . Este proceso resultó ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían solo alrededor del 20 % de carbono. A principios de la década de 1960, el Dr. Akio Shindo, de la Agencia de Ciencia y Tecnología Industrial de Japón, desarrolló un proceso utilizando poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Esto produjo una fibra de carbono que contenía alrededor del 55 % de carbono. En 1960, Richard Millington, de HI Thompson Fiberglas Co., desarrolló un proceso ( patente estadounidense 3,294,489 ) para producir una fibra con alto contenido de carbono (99 %) utilizando rayón como precursor. Estas fibras de carbono tenían la resistencia suficiente (módulo de elasticidad y resistencia a la tracción) para ser utilizadas como refuerzo para compuestos con altas propiedades de resistencia-peso y para aplicaciones resistentes a altas temperaturas.

La alta resistencia potencial de la fibra de carbono se reconoció en 1963 en un proceso desarrollado por W. Watt, LN Phillips y W. Johnson en el Royal Aircraft Establishment en Farnborough, Hampshire . El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y licenciado por la British National Research Development Corporation a tres empresas: Rolls-Royce , que ya fabricaba fibra de carbono; Morganite; y Courtaulds . En pocos años, tras el uso exitoso en 1968 de un conjunto de ventilador de fibra de carbono Hyfil en los motores a reacción Rolls-Royce Conway del Vickers VC10 , ^{[ 9 ]} Rolls-Royce aprovechó las propiedades del nuevo material para irrumpir en el mercado estadounidense con su motor aeronáutico RB-211 con álabes de compresor de fibra de carbono. Desafortunadamente, los álabes demostraron ser vulnerables a los daños por impacto de aves . Este problema y otros causaron a Rolls-Royce tales reveses que la empresa fue nacionalizada en 1971. La planta de producción de fibra de carbono se vendió para formar Bristol Composite Materials Engineering Ltd ^{[ 10 ]} (a menudo denominada Bristol Composites).

A finales de la década de 1960, los japoneses lideraron la fabricación de fibras de carbono basadas en PAN. Un acuerdo tecnológico conjunto de 1970 permitió a Union Carbide fabricar el producto de Toray Industries de Japón . Morganite decidió que la producción de fibra de carbono era secundaria a su actividad principal, dejando a Courtaulds como el único gran fabricante del Reino Unido. El proceso inorgánico a base de agua de Courtaulds hacía que el producto fuera susceptible a impurezas que no afectaban al proceso orgánico utilizado por otros fabricantes de fibra de carbono, lo que llevó a Courtaulds a cesar la producción de fibra de carbono en 1991.

Durante la década de 1960, la investigación experimental para encontrar materias primas alternativas condujo a la introducción de fibras de carbono fabricadas a partir de brea de petróleo derivada del procesamiento del petróleo. Estas fibras contenían aproximadamente un 85 % de carbono y presentaban una excelente resistencia a la flexión. Asimismo, durante este período, el gobierno japonés apoyó firmemente el desarrollo de la fibra de carbono en el país, y varias empresas japonesas como Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon y Mitsubishi iniciaron su propio desarrollo y producción. Desde finales de la década de 1970, otros tipos de hilo de fibra de carbono entraron en el mercado global, ofreciendo mayor resistencia a la tracción y mayor módulo elástico , como el T400 de Toray con una resistencia a la tracción de 4000 MPa y el M40 con un módulo de 400 GPa. También se desarrollaron fibras de carbono intermedias, como el IM 600 de Toho Rayon con hasta 6000 MPa. Las fibras de carbono de Toray, Celanese y Akzo se incorporaron a la industria aeroespacial, primero como componentes secundarios y luego como piezas principales en aeronaves militares y posteriormente en aviones civiles de McDonnell Douglas , Boeing , Airbus y United Aircraft Corporation . En 1988, el Dr. Jacob Lahijani inventó una fibra de carbono de brea con un módulo de Young ultra alto (superior a 690 000 MPa ) y una resistencia a la tracción elevada (superior a 3400 MPa ), ampliamente utilizada en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. En marzo de 2006, la patente fue cedida a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee . ^{[ 11 ]}      

La fibra de carbono se suministra frecuentemente en forma de un haz continuo enrollado en una bobina. El haz es un conjunto de miles de filamentos de carbono individuales continuos, unidos y protegidos por un recubrimiento orgánico, o apresto, como óxido de polietileno (PEO) o alcohol polivinílico (PVA). El haz se puede desenrollar fácilmente de la bobina para su uso. Cada filamento de carbono en el haz es un cilindro continuo con un diámetro de 5 a 10 micrómetros y se compone casi exclusivamente de carbono . La primera generación (por ejemplo, T300, HTA y AS4) tenía diámetros de 16 a 22 micrómetros . ^{[ 12 ]} Las fibras posteriores (por ejemplo, IM6 o IM600) tienen diámetros de aproximadamente 5 micrómetros. ^{[ 12 ]}

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito , compuesta por láminas de átomos de carbono dispuestas en un patrón hexagonal regular (láminas de grafeno ). La diferencia radica en la forma en que estas láminas se entrelazan. El grafito es un material cristalino cuyas láminas se apilan paralelamente entre sí de forma regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son fuerzas de Van der Waals relativamente débiles , lo que confiere al grafito su blandura y fragilidad.

Dependiendo del precursor para fabricar la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostrática o grafítica, o tener una estructura híbrida con partes grafíticas y turbostráticas presentes. En la fibra de carbono turbostrática, las láminas de átomos de carbono están plegadas o arrugadas de forma aleatoria. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas del alquitrán de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200 °C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener una alta resistencia a la tracción máxima , mientras que las fibras de carbono derivadas del alquitrán de mesofase tratadas térmicamente tienen un alto módulo de Young (es decir, alta rigidez o resistencia a la extensión bajo carga) y una alta conductividad térmica . 

La fibra de carbono puede tener un costo mayor que otros materiales, lo que ha sido uno de los factores limitantes para su adopción. En una comparación entre el acero y la fibra de carbono para materiales automotrices , la fibra de carbono puede ser entre 10 y 12 veces más cara. Sin embargo, este sobrecosto se ha reducido en la última década, desde las estimaciones de que era 35 veces más cara que el acero a principios de la década de 2000. ^{[ 13 ]}

Textiles

Los precursores de las fibras de carbono son el poliacrilonitrilo (PAN), el rayón y el alquitrán . Los hilos de filamento de fibra de carbono se utilizan en varias técnicas de procesamiento: los usos directos son para preimpregnado , bobinado de filamentos, pultrusión , tejido, trenzado, etc. El hilo de fibra de carbono se clasifica por su densidad lineal (peso por unidad de longitud; es decir, 1  g/1000  m = 1 tex ) o por el número de filamentos por título de hilo, en miles. Por ejemplo, 200 tex para 3000 filamentos de fibra de carbono es tres veces más resistente que un hilo de 1000 filamentos de carbono, pero también es tres veces más pesado. Este hilo se puede utilizar para tejer una tela o tejido de filamento de fibra de carbono . La apariencia de esta tela generalmente depende de la densidad lineal del hilo y del tejido elegido. Algunos tipos de tejido comúnmente utilizados son la sarga , el satén y el liso . Los hilos de filamento de carbono también se pueden tejer o trenzar . Los compuestos de fibra de carbono de tejido seco (CFRP) se cortan normalmente utilizando sistemas de corte digital CNC equipados con cuchillas giratorias o cortadoras ultrasónicas .   

Calefacción flexible

A pesar de ser conocidas por su conductividad eléctrica, las fibras de carbono por sí solas solo pueden conducir corrientes muy bajas. Al tejerse en telas más grandes, se pueden usar para proporcionar calefacción (infrarroja) de manera confiable en aplicaciones que requieren elementos calefactores eléctricos flexibles y pueden soportar fácilmente temperaturas superiores a 100  °C. Muchos ejemplos de este tipo de aplicación se pueden ver en prendas de vestir y mantas calefactables caseras . Debido a su inercia química, se puede usar de forma relativamente segura con la mayoría de las telas y materiales; sin embargo, los cortocircuitos causados ​​por el plegado del material sobre sí mismo aumentarán la producción de calor y pueden provocar un incendio.

Cada filamento de carbono se produce a partir de un polímero como el poliacrilonitrilo (PAN), el rayón o el alquitrán de petróleo . Todos estos polímeros se conocen como precursores. Para polímeros sintéticos como el PAN o el rayón, el precursor se hila primero en filamentos, utilizando procesos químicos y mecánicos para alinear inicialmente las moléculas del polímero de manera que se mejoren las propiedades físicas finales de la fibra de carbono. La composición de los precursores y los procesos mecánicos utilizados durante el hilado de los filamentos pueden variar entre fabricantes. Después del estirado o hilado, los filamentos de polímero se calientan para eliminar los átomos que no son de carbono ( carbonización ), produciendo así la fibra de carbono final. Los filamentos de fibra de carbono pueden someterse a un tratamiento adicional para mejorar su manipulación y, posteriormente, se enrollan en bobinas . ^{[ 22 ]}

Un método común de fabricación consiste en calentar los filamentos de PAN hilados a aproximadamente 300  °C en aire, lo que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida el material. Durante este proceso, las fibras tienden a encogerse. La composición química y las propiedades mecánicas resultantes de la fibra dependen del tiempo y la temperatura del proceso, así como de la tensión aplicada a la fibra durante la oxidación. ^{[ 23 ]} El PAN oxidado se coloca luego en un horno con una atmósfera inerte de un gas como el argón y se calienta a aproximadamente 2000  °C, lo que induce la grafitización del material, cambiando la estructura del enlace molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen lado a lado (polímeros en escalera), formando láminas estrechas de grafeno que finalmente se fusionan para formar un único filamento columnar. El resultado suele ser un 93-95 % de carbono. Se puede fabricar fibra de menor calidad utilizando brea o rayón como precursor en lugar de PAN. El carbono se puede mejorar aún más, como carbono de alto módulo o de alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El carbono calentado en el rango de 1500–2000  °C (carbonización) presenta la mayor resistencia a la tracción (5650 MPa ), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 a 3000 °C (grafitización) presenta un módulo de elasticidad más alto (531 GPa).   

• Fibra de basalto
• polímero reforzado con fibra de carbono
• material cerámico reforzado con fibra de carbono
• nanotubo de carbono
• materiales ESD
• Grafeno

• Fabricación de fibra de carbono
• Cómo se fabrica la fibra de carbono
• «Fibras de carbono: los primeros 5 años sin recubrimiento» . Flight International . 9 de septiembre de 1971, pág.  406. Archivado del original el 4 de febrero de 2012.