La fibra de carbono, también conocida como grafito de carbono, es una fibra de alta resistencia fabricada calentando fibras sintéticas o fibras de poliacrilonitrilo o asfalto de petróleo a una temperatura adecuada. Hoy en día, la fibra de carbono se ha convertido en un componente esencial de muchos productos, con nuevas aplicaciones desarrollándose cada año. Estados Unidos, Japón y Europa Occidental son los principales productores de fibra de carbono.

¿Qué los Hace Únicos?

La fibra de carbono es la fibra de refuerzo más dura y resistente en compuestos de polímeros, después de la fibra de vidrio. Las fibras de carbono se clasifican por el módulo de elasticidad de la fibra, que mide cuánta fuerza de tracción puede soportar una fibra de cierto diámetro sin romperse. Dependiendo de la orientación de la fibra, los compuestos de fibra de carbono pueden ser más fuertes en una dirección o igualmente fuertes en todas las direcciones. Un pequeño trozo puede soportar varias toneladas de impacto, con una deformación mínima. La naturaleza compleja del entrelazado de las fibras las hace difíciles de romper.

Principales Aplicaciones

Las dos principales aplicaciones de la fibra de carbono son en tecnologías especializadas, incluyendo la aeroespacial y la ingeniería nuclear. Otras áreas funcionales incluyen textiles, microelectrodos, compuestos reforzados con fibra de carbono para la fabricación de piezas de aeronaves y naves espaciales, carrocerías de coches de carreras, varillas de golf, cuadros de bicicletas, cañas de pescar, muelles de coches, mástiles de veleros y muchos otros componentes que requieren ligereza y alta resistencia.

Clasificación de la Fibra de Carbono

La fibra de carbono puede clasificarse según su módulo, resistencia y temperatura final de tratamiento térmico.

Materiales Crudos y Proceso de Fabricación

Los materiales utilizados para fabricar fibra de carbono se llaman precursores. Aproximadamente el 90% de las fibras de carbono se fabrican a partir de poliacrilonitrilo (PAN). El 10% restante se fabrica a partir de fibras sintéticas o asfalto de petróleo. Todos estos materiales son polímeros orgánicos, caracterizados por largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. La composición exacta de cada precursor varía según la empresa y a menudo se considera un secreto comercial.

Proceso de Fabricación

El proceso de fabricación de la fibra de carbono es en parte químico y en parte mecánico. El precursor (la estructura molecular de la fibra) se estira en largas cadenas o fibras y luego se calienta a temperaturas muy altas, evitando que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, las fibras no pueden arder. En su lugar, la alta temperatura provoca vibraciones atómicas vigorosas dentro de la fibra hasta que la mayoría de los átomos no carbono son expulsados. Este proceso se llama carbonización, dejando atrás fibras que consisten en largas cadenas de átomos de carbono, fuertemente entrelazadas, con solo unos pocos átomos no carbono restantes.

Issues de Seguridad

El principal riesgo para la salud asociado con el manejo de la fibra de carbono se debe a la irritación mecánica y abrasión, similar a las fibras de vidrio. Si no se controla, estas microfibras tienen el potencial de incrustarse en la piel humana o membranas mucosas, causando irritación. Es crucial proteger los ojos y la garganta del polvo de fibra de carbono.

Razones para que los Materiales Compuestos de Fibra de Carbono Reemplacen a los Materiales Tradicionales

1. Alta Relación Resistencia-Peso: La fibra de carbono pesa aproximadamente un 25% del acero, un 70% del aluminio, y es más resistente y dura que ambos. Los ingenieros automotrices de gama alta utilizan materiales compuestos para reducir el peso del vehículo hasta en un 60%, mientras mejoran la seguridad en caso de colisión.

2. Durabilidad: Los materiales compuestos CFRP no se oxidan independientemente del entorno. Su tenacidad a la fractura es menor que la de los metales pero mayor que la de la mayoría de los polímeros. La alta estabilidad dimensional les permite mantener su forma, ya sea caliente o frío, mojado o seco.

3. Nuevas Opciones de Diseño: Los compuestos CFRP ofrecen opciones de diseño difíciles de lograr con materiales tradicionales. Permite la consolidación de piezas; una sola pieza compuesta puede reemplazar todo el ensamblaje de piezas metálicas. La textura de la superficie puede alterarse para imitar cualquier acabado, desde liso hasta texturizado.

El Futuro de la Fibra de Carbono

El futuro del mercado de plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) parece prometedor, con oportunidades en las industrias aeroespacial, automotriz, de recipientes a presión y de energía eólica. Los principales impulsores de este mercado son la creciente demanda de materiales compuestos de alto rendimiento y ligeros y los crecientes requisitos de rendimiento de diversas industrias de usuarios finales. Las tendencias emergentes que impactan directamente en la industria incluyen el desarrollo de tecnologías para reducir los costos de fabricación de fibra de carbono y el reciclaje de piezas y CFRP, ya que la fibra de carbono reciclada reduce los costos del producto y el impacto ambiental.