Fibra de carbono
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Fibra de carbono o Fibra de carbón. Es un material compuesto no metálico de tipo polimérico, constituido principalmente por carbono. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligero como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero. Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo refuerzan.
Origen
La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y relojes.
Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la época de fuerte trabajo de Thomas Alva Edison, quien las preparó gracias a un proceso de carbonización, que logró por el empleo de filamentos de otras fibras (de bambú, celulosa). Las mismas fueron posteriormente utilizadas para la preparación de otros filamentos: los de las lámparas incandescentes.
Sin embargo, fue recién en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un proceso industrial consistente en la obtención de este material y con la utilización de un carbono de alto módulo de Young. Seis años después se obtuvieron fibras de PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se desarrollaron muchas otras a partir del uso de breas de carbón, de petróleo y de resinas fenólicas. En la década del ‘80, se las fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto módulo y las cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones.
Durante la década de los 70’s, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas permitió la introducción de las fibras de carbón hechas a partir del procesamiento de la brea de petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Desafortunadamente, sólo tenían una resistencia limitada a la compresión y no eran ampliamente aceptadas.
Actualmente, las fibras de carbón son parte importante de muchos productos y nuevas aplicaciones son desarrolladas cada año. Los Estados Unidos, Japón y Europa Occidental son los principales productores de fibras de carbón.
Propiedades principales del carbono
- Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
- Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.
- Elevado precio de producción.
- Resistencia a agentes externos.
- Gran capacidad de aislamiento térmico.
- Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.
- Resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad eléctrica.
- Ante variaciones de temperatura conserva su forma.
Uso y aplicaciones
Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pescar e incluso en joyería entre otra amplia gama de componentes donde es necesario un material ligero y de alta resistencia.
Es sin duda el más versátil de los elementos que conoce el hombre, como podemos ver por el hecho de que es la base de la vida en el planeta. El carbono forma parte de toda la química orgánica y de 20 millones de moléculas conocidas, de las cuales el 79% se clasifican como orgánicas.
Composición
La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra largas y delgadas de 0.0002-0.0004 pulgadas (0.005-0.010 mm) de diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbón se enlazan en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelamente al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño. Varias miles de fibras de carbón son retorcidas juntas para formar un hilo, que puede ser usado por sí solo o como tejido de una tela. El hilo o tejido es combinado con un epóxido y se adhiere o moldea para dar forma a varios tipos de materiales compuestos.
Las fibras de carbón son diez veces más fuertes que el acero y ocho veces más que el aluminio, sin mencionar que la fibra de carbón es mucho más ligera que ambas, 5 y 1.5 veces respectivamente. Adicionalmente, sus propiedades de fatiga son superiores a todas las estructura metálicas y son uno de los materiales más resistentes a la corrosión disponibles, cuando se combinan con las resinas adecuadas.
Durante el proceso de fabricación son usados una variedad de gases y líquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra y conseguir efectos específicos. Otros materiales son diseñados para no reaccionar o para prevenir ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, la composición exacta de muchos de estos materiales de proceso son considerados secretos comerciales.
El proceso para hacer las fibras de carbón es parte químico y parte mecánico. El precursor es estirado en largos hilos o fibras y luego se calienta a temperaturas muy altas sin permitir que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no se puede quemar. En cambio, la temperatura alta hace que los átomos en la fibra vibren violentamente hasta que la mayoría de los átomos no-carbonos sean expulsados. A este proceso se le denomina carbonización.
Para tener idea de la resistencia de este material compararla con el acero:
- Característica FC Acero
- Módulo de resistencia a la tracción 3,5 1,3
- Resistencia específica 2,0 0,17
- Densidad 1,75 7,9
Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor.
