-Definición
La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por
finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono.
Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se
trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo.
-Estructura
La estructura atómica de la fibra de carbono consistente
en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La
fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se
colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono
es responsable de su alta resistencia.
-Propiedades
Las propiedades principales de este material compuesto
son:
- Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
- Baja densidad.
- Elevado precio de producción.
- Resistencia a agentes externos.
- Gran capacidad de aislamiento térmico.
- Resistencia a las variaciones de temperatura.
-Proceso
de fabricación
Cada filamento de carbono es producido a partir de un
polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón,
poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros
sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor es primeramente hilado en
filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de
polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono
obtenida. Las composiciones de precursores y de los procesos mecánicos
utilizados durante el hilado pueden variar entre los fabricantes. Normalmente
se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y
cloruro de vinilo. Después de embutición o hilatura en húmedo (a veces también
se emplea la técnica de hilado fundido), las fibras de polímero se calientan
para eliminar los átomos que no sean de carbono (carbonización), produciendo la
fibra de carbono final. Las fibras de carbono pueden ser sometidos a un
tratamiento de mejorar las cualidades de manejo, luego son enrolladas en
bobinas. Las bobinas se utilizan para suministrar a máquinas que producen hilos
de fibra de carbono o tejido.
Un método común de la fabricación consiste en calentar los
filamentos PAN en una atmósfera con aire (oxidación) a aproximadamente 300°C,
que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado
se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y
se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del
material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se
calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la
otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para
formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de
carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o
rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar
algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia,
mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de
1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción
(820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada
de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad
(77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²).
-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.
JUAN MORÓN VILÁN
JUAN MORÓN VILÁN
