La fibra de carbono es un tejido que se compone principalmente de carbono. Se produce hilando varios polímeros a base de carbono en fibras, tratándolos para eliminar la mayoría de las otras sustancias y tejiendo el material resultante en una tela. Esto generalmente está incrustado en plástico, generalmente epoxi, para formar plástico reforzado con fibra de carbono o compuesto de fibra de carbono. Las características más notables del material son su alta relación resistencia-peso y su relativa inercia química. Estas propiedades le confieren una amplia gama de aplicaciones, pero su uso está limitado por el hecho de que es bastante caro.
Fabricar
La producción de este material generalmente se basa en poliacrilonitrilo (PAN), un plástico utilizado en textiles sintéticos para ropa, o brea, una sustancia similar al alquitrán hecha del petróleo. La brea se hila primero en hebras, pero para empezar, PAN normalmente está en forma fibrosa. Se convierten en fibra de carbono mediante un fuerte calentamiento para eliminar otros elementos, como hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; este proceso se conoce como pirólisis. Estirar las fibras durante este procedimiento ayuda a eliminar las irregularidades que podrían debilitar el producto final.
Las fibras crudas se calientan inicialmente a alrededor de 590 ° F (300 ° C) en aire y bajo tensión, en una etapa conocida como oxidación o estabilización. Esto elimina el hidrógeno de las moléculas y convierte las fibras en una forma más estable mecánicamente. Luego se calientan a alrededor de 1,830 ° F (1,000 ° C) en ausencia de oxígeno en una etapa conocida como carbonización. Esto elimina más material que no es de carbono, dejando principalmente carbono.
Cuando se requieren fibras de alta calidad y alta resistencia, se lleva a cabo una etapa adicional, conocida como grafitización. El material se calienta entre 1,732 y 5,500 ° F (1,500 a 3,000 ° C) para convertir la formación de los átomos de carbono en una estructura similar al grafito. Esto también elimina la mayoría de los átomos residuales que no son de carbono. El término «fibra de carbono» se utiliza para materiales con un contenido de carbono de al menos el 90%. Cuando el contenido de carbono es superior al 99%, el material a veces se denomina fibra de grafito.
La fibra de carbono en bruto resultante no se adhiere bien a las sustancias utilizadas para hacer compuestos, por lo que se oxida levemente mediante el tratamiento con productos químicos adecuados. Los átomos de oxígeno agregados a la estructura le permiten formar enlaces con plásticos, como el epoxi. Después de aplicarle una fina capa protectora, se teje en hilos de las dimensiones requeridas. Estos, a su vez, se pueden tejer en telas, que luego generalmente se incorporan a materiales compuestos.
Estructura y propiedades
Una sola fibra tiene un diámetro de aproximadamente 0.0002 a 0.0004 pulgadas (0.005 a 0.010 mm); El hilo consiste en muchos miles de estos hilos tejidos entre sí para formar un material extremadamente resistente. Dentro de cada hebra, los átomos de carbono están dispuestos de manera similar al grafito: anillos hexagonales unidos para formar láminas. En grafito, estas láminas son planas y están unidas entre sí de forma débil, de modo que se separan fácilmente. En una fibra de carbono, las láminas están dobladas y arrugadas, y forman muchos cristales diminutos entrelazados, conocidos como cristalitos. Cuanto mayor es la temperatura empleada en la fabricación, más se orientan estos cristalitos a lo largo del eje de la fibra y mayor es la resistencia.
Dentro de un material compuesto, la orientación de las propias fibras también es importante. Dependiendo de esto, el material puede ser más fuerte en una determinada dirección o igualmente fuerte en todas las direcciones. En algunos casos, una pequeña pieza puede soportar un impacto de muchas toneladas y aún así deformarse mínimamente. La compleja naturaleza entretejida de la fibra hace que sea muy difícil de romper.
En términos de relación resistencia-peso, el compuesto de fibra de carbono es el mejor material que la civilización puede producir en cantidades apreciables. Los más fuertes son aproximadamente cinco veces más resistentes que el acero y considerablemente más ligeros. Se está investigando la posibilidad de introducir nanotubos de carbono en el material, lo que puede mejorar la relación resistencia-peso en 10 veces o más.
Otras propiedades útiles que tiene son su capacidad para soportar altas temperaturas y su inercia. La estructura molecular es, como el grafito, muy estable, lo que le da un alto punto de fusión y hace que sea menos probable que reaccione químicamente con otras sustancias. Por lo tanto, es útil para componentes que pueden estar sometidos a calor y para aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión.
Utiliza materiales de
La fibra de carbono se utiliza en muchas áreas donde se requiere una combinación de alta resistencia y bajo peso. Estos incluyen el transporte público y privado, como automóviles, aviones y naves espaciales; equipos deportivos, como bicicletas de carrera, esquís y cañas de pescar; y construccion. La relativa inercia del material lo hace muy adecuado para aplicaciones en la industria química y en medicina; se puede usar en implantes ya que no reacciona con sustancias en el cuerpo. En ingeniería civil, se ha determinado que los puentes viejos pueden salvarse de la destrucción y reconstrucción mediante simples refuerzos de fibra de carbono, que son comparativamente más baratos.
Ciencias económicas
A partir de 2013, los usos y la demanda de fibra de carbono se han visto limitados por su costo. Una bicicleta hecha de material compuesto suele costar unos pocos miles de dólares estadounidenses (USD). Los autos de carreras de Fórmula Uno, que viajan a velocidades superiores a 200 kph (320 mph), pueden costar más de $ 1 millón de dólares para construir y mantener, un costo determinado en gran parte por el uso generoso de este material. Sin embargo, la demanda ha aumentado significativamente debido en gran parte al aumento de la producción de grandes aviones comerciales. Si el costo se puede reducir significativamente, puede convertirse en un material universal para vehículos y productos pequeños diseñados para una durabilidad y ligereza extremas.