Qué es la Fibra de carbono

Por supuesto, desde Servei Estació queremos explicarte qué es la fibra de carbono. La fibra de carbono (fc) es un material sintético que acumula muchas propiedades. A partir de los años 70 del siglo XX su uso empezó a ser generalizado en diversos sectores.

Te contaremos cómo se fabrica y cuáles son sus propiedades más importantes. Además, profundizaremos en sus aplicaciones y expondremos cuáles son los tipos que existen en el mercado.

La fibra de carbono es una fibra sintética de origen polimérico muy resistente y versátil. El primer paso para fabricarla es disponer de un material precursor. En la mayoría de casos se utiliza el poliacrilonitrilo. Este elemento es un polímero vinílico también conocido como PAN.

Se emplea en la fabricación distintos tipos de fibras tras someterlo a un proceso de copolimerización con otros monómeros.

El proceso de fabricación consiste en calentar el poliacrilonitrilo. Así, en hornos especiales se alcanzan temperaturas muy elevadas y se desarrolla la oxidación y pirólisis del polímero. El resultado es una fibra compuesta por carbono casi en su totalidad.

Los filamentos de carbono alcanzan entre 6 y 10 micras diámetro. Además, se agrupan en fibras que pueden tener desde 1000 hasta 24000 filamentos. Cuando los filamentos se agrupan formando un hilo cilíndrico, se conoce como twisted. Sin embargo, si los hilos se sitúan en paralelo, se denomina tow.

Después, ese material se mezcla con resina epoxi y se obtiene la clásica plancha de fibra de moldeable por calor.

 

ORIGEN DE LA FIBRA DE CARBONO

Ya hemos señalado de dónde se obtiene la fibra de carbono. Sin embargo, también es apropiado hacer referencia a los investigadores que hicieron el descubrimiento.

Brevemente, podemos apuntar que en el año 1958, Roger Bacon desarrolló el método de producción. Este físico inglés obtuvo una fibra muy pobre en carbono. Solo alcanzó un 20% pero puso las bases para desarrollar la investigación.

En la década de los 60, el nipón Akio Shindo perfeccionó la técnica. Así, consiguió un material más resistente y rígido que Bacon. El porcentaje de carbono ya se situó alrededor del 55%.

A partir de ese momento, se sumaron a la investigación Richard Millington y W. Watt. En pleno siglo XXI, el porcentaje de carbono de la fibra si sitúa ya en el 99%.

 

PROPIEDADES DE LA FIBRA DE CARBONO

Sin duda, la fibra de carbono es un material que aglutina múltiples propiedades. Todas ellas son interesantes para desarrollar procesos industriales dispares. Estas son las cualidades más destacadas.

Resistencia

Por descontado, es un material altamente resistente a distintos tipos de fuerza y a la incidencia de agentes externos.

• Resistencia mecánica. Soporta fuerzas muy elevadas de compresión, de fractura y de tracción. La fuerza de tracción puede llegar hasta los 4700 N/mm² en tipos especiales de fibra.
• Resistencia a agentes externos. Igualmente, resiste la humedad, las variaciones de temperatura severas y la fatiga. El uso diario no deteriora el material. Además, no alberga ninguna corrosión tipo como sí puede ocurrir con distintos tipos de metales.

Ligereza. Una de las grandes propiedades de la fibra de carbono es su peso ligero. Este factor se combina con unas propiedades mecánicas similares al acero. Todo ello la ha convertido en un material habitual en la construcción de vehículos y maquinaria.

Rigidez. Al mismo tiempo, se trata de un material rígido que no se dobla ni se deforma bajo presión. Combinación perfecta entre ligereza, flexibilidad y rigidez.

Aislamiento térmico. La capacidad de aislamiento térmico es muy elevada. La razón es que el material para absorber energía en forma de calor. Igualmente, reduce considerablemente la transmisión del mismo.

Durabilidad. Otra propiedad interesante es la larga vida útil de la fibra de carbono. El material permanece en perfectas condiciones durante años.

Elegancia. Finalmente, destacamos una cualidad como la elegancia. La fibra de carbono en colores oscuros se utiliza en vehículos de alta gama. En esos automóviles, la estética se sitúa como elemento preferencial.

 

ESTRUCTURA DE LA FIBRA DE CARBONO

Es importante detenerse a estudiar la estructura de la fibra de carbono. La razón es que esa disposición es uno de los secretos de su durabilidad y resistencia.

Las fibras que se obtienen después de procesar el poliacrilonitrilo son turbostráticas. Eso significa que las láminas de átomos de carbono no se acumulan de manera ordenada. Todo lo contrario.

Por consiguiente, la estructura de la disposición de las láminas es totalmente al azar y de forma irregular. Pueden estar más separadas o juntas en distintas zonas de la lámina. Además, no se cristalizan y son extremadamente resistentes.

Así pues, la estructura atómica de la fibra de carbono es diferente a la del grafito. En ese caso las láminas se colocan de forma ordenada. Por eso, la punta de un lápiz fabricada con grafito, siempre podrá romperse con facilidad. 

 

DENSIDAD DE LA FIBRA DE CARBONO

Sobre la densidad de la fibra de carbono solo apuntaremos que se sitúa en los 1750 kg/m3. Así pues es baja en comparación con el acero. Además, presenta una baja conductividad térmica.

 

DUREZA DE LA FIBRA DE CARBONO

Hay pocos materiales que presente una dureza superior. La dureza específica de este material es de 2457 kN·m/kg o KYuri.

Para dimensionar bien este dato, la dureza del hormigón es de 5.

La del acero inoxidable es de 6.3 o la del titanio de 288 kN·m/kg o KYuri.

Solo el kevlar con 2514, el zylon con 3766 o el grafeno con 130000 kN·m/kg o KYuri superan en dureza a la fibra de carbono.

 

TIPOS DE FIBRA DE CARBONO

Los tipos de fibra de carbono pueden clasificarse en función de distintos parámetros. En primer lugar se puede clasificar en base a sus propiedades.

Tipos según sus propiedades

• Tipo UHM – Ultra alto módulo. Módulo de elasticidad superior a los 450 GPa.
• Tipo HM – Alto módulo. Módulo de elasticidad entre los 350 - 450 GPa. Relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del 1%
• Tipo IM – Módulo intermedio. Módulo de elasticidad entre los 200 - 350 GPa. Relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del 0,01%
• Tipo HT – Módulo bajo. Módulo de elasticidad de 3 GPa. Relación resistencia a la tracción/módulo de tensión 0.015-20
• Tipo SHT – Súper alta resistencia. Módulo bajo. Módulo de elasticidad de 4,5 GPa.

 

Tipos según su precursor

Como hemos apuntado anteriormente, el poliacrilonitrilo es el precursor más habitual para fabricar este tipo de fibra. Sin embargo, existen más opciones. Así pues, también contamos con distintos tipos en base a al material precursor.

• Fibras de carbono basadas en PAN o poliacrilonitrilo.
• Fibras de carbono a base de Rayón.
• Fibras de carbono cultivadas – en fase gaseosa.
• Fibras de carbono a base de brea.
• Fibras de carbono basadas en brea de meso-fase (con estructura similar a la del grafito).
• Fibras de carbono a base de brea isotrópica.

 

Tipos según su tejido

El espesor del tejido o la tela también es un parámetro para clasificar los diferentes tipos. Partiendo de la base de que K representa el valor por mil que componen cada hilo del tenido. Así, 1k es igual a 1 mm de ancho, 6k a 6 mm y 12 k a 12 mm.

Los espesores más habituales son: 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 50K

 

Tipos según su presentación

Finalmente, la presentación del material también puede aclarar distintos tipos de material. En el mercado podemos encontrar:

• Láminas o planchas.
• Rollos
• Tela

Ciertamente, la tela de fibra de carbono es una de las presentaciones más demandadas en la industria. Por esa razón queremos detenernos para explicar brevemente tu proceso de fabricación. Para obtener tela de carbono el poliacrilonitrilo debe calentarse hasta los 1500°C.

A partir de ahí, se desarrollan procesos mecánicos de hilado y bobinado. Además, se conservan solo los átomos de carbono y se eliminan los otros. El resultado son unos filamentos que se emplean para fabricar la tela de fibra de carbono.

 

USOS DE LA FIBRA DE CARBONO

Desde luego, la fibra de carbono es un material con múltiples salidas. Sus propiedades de resistencia y durabilidad lo han convertido en imprescindible en gran variedad de desarrollos. Estas son algunas de sus aplicaciones.

• Industria aeroespacial. Esta fue el primer sector en el que se empleó la fibra de carbono. Su uso en propulsores y trajes es muy habitual.
• Automoción. Por descontado, los fabricantes de automóviles y motocicletas son usuarios habituales de este material. Las varillas de este material se emplean para fabricar componentes de motor que aligeran el peso de la máquina. También es habitual en salpicaderos, piezas plásticas y en los cascos de moto.
• Náutica. Los cascos de barcos, lanchas y motoras sueles estar fabricados de fibra de carbono. Es un material resistente a la humedad, los impactos y los cambios de temperatura.
• Industria deportiva. También se emplea en muchos artículos deportivos. Por ejemplo en raquetas, cañas de pescar, bates, patines o material de buceo. Mención aparte merece el uso de la fibra de carbono en la fabricación de bicicletas de carretera o de montaña.
• Tecnología. Los Smartphone pueden llevar piezas fabricadas de fibra de carbono. De igual forma, es un material habitual en la fabricación de ordenadores portátiles.
• Ortopedia. Finalmente, el sector de la medicina de rehabilitación y la ortopedia se han beneficiado de las cualidades del material. Utilizando tejido de fibra de carbono biaxial se fabrican muletas, bastones, armazones o prótesis.

 

PRECIO DE LA FIBRA DE CARBONO

Ciertamente, la fibra de carbono no es un material barato. La razón de su precio elevado hay que buscarla en un proceso de fabricación costoso.

Asimismo, el proceso de producción puede llevar semanas o meses. Los hornos donde se calientan los precursores polímeros consumen una gran cantidad de energía. También, son necesarias herramientas especiales para llevar a cabo los posteriores moldeados. Por supuesto, toda esa maquinaria tiene un coste elevado.

El proceso de calentado a altas temperaturas implica también el uso abundante de agua para su enfriamiento. Sin duda, el precio de material se encarece considerablemente. La razón está en el coste elevado de la energía y de un bien tan preciado y escaso como el agua.

 

COMPRAR FIBRA DE CARBONO

Cuando es necesario comprar fibra de carbono la mejor opción es acudir a una tienda de bricolaje. Por descontado, en el área de plásticos técnicos de Servei Estació te ofrecemos este material en distintas presentación. Podrás adquirir varillas de fibra de carbono, tejido biaxial, rollo de vinilo o resina epoxi para mezclar con fibra de carbono.