¿Qué es una Fibra de Carbono?
Las fibras de carbono son materiales compuestos que consisten principalmente en carbono y se caracterizan por ser ligeras y resistentes.
Estas fibras se fabrican mediante un proceso en el cual se somete un compuesto orgánico en forma de fibra a un tratamiento ignífugo, seguido de un proceso de sinterización a alta temperatura, generalmente a 1.000 °C o más. Durante este proceso, se eliminan los átomos de hidrógeno y nitrógeno del compuesto orgánico utilizado como materia prima, lo que resulta en un contenido de carbono del 90% o superior en las fibras resultantes. Estas fibras de carbono son conocidas por su resistencia y rigidez, al mismo tiempo que tienen un peso considerablemente más ligero en comparación con otros materiales.
Usos de las Fibras de Carbono
Las fibras de carbono se utilizan en diversos campos como alternativa a los materiales metálicos, debido a su capacidad para reducir el peso sin comprometer la resistencia. Estas fibras presentan características como flexibilidad, conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y resistencia al fuego, lo que las hace adecuadas para una amplia gama de aplicaciones.
Por lo general, las fibras de carbono se utilizan en forma de materiales compuestos, combinadas con resinas, cerámicas y metales. En el sector aeroespacial, se emplean en aviones, cohetes y satélites, donde se requiere ligereza y alta resistencia. En el ámbito de la ortopedia, se utilizan como prótesis y en equipos de cuidados, como sillas de ruedas y camas de cuidados, debido a su ligereza y facilidad de manejo.
En la industria automotriz, las fibras de carbono contribuyen a la reducción del consumo de combustible al disminuir el peso de los vehículos. Por esta razón, se utilizan en vehículos de carreras desde los primeros días de su desarrollo. También encuentran aplicaciones en artículos deportivos como cañas de golf, cañas de pescar, raquetas de tenis, esquís y tablas de snowboard, gracias a su resistencia y módulo de elasticidad.
En el futuro, se espera que las láminas de fibra de carbono sean utilizadas en la construcción y la ingeniería civil, por ejemplo, para fortalecer la resistencia sísmica de estructuras de hormigón al adherir láminas de fibra de carbono. También podrían utilizarse como alternativa en cables de puentes colgantes y armazones de acero.
Tipos de Fibras de Carbono
Las fibras de carbono se clasifican en dos tipos según su materia prima: fibras de carbono a base de PAN y fibras de carbono a base de brea. En la actualidad, las fibras de carbono a base de PAN son las más utilizadas y representan el 90% de la producción mundial de fibras de carbono.
1. Fibras de Carbono a Base de PAN
Las fibras de carbono fabricadas a partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo) tienen una resistencia y un módulo de elasticidad extremadamente altos y se utilizan ampliamente en campos industriales que requieren una gran fiabilidad, como la industria espacial, y en aplicaciones más familiares, como los artículos de ocio y el equipamiento deportivo.
De todos ellos, el sector industrial es el más utilizado. En el sector del automóvil, se utiliza en capós, alerones, depósitos de gasolina y muchas otras piezas. También se utiliza como material alternativo para piezas metálicas como ballestas y engranajes.
2. Fibras de Carbono a Base de Brea
Las fibras de carbono a base de brea se caracterizan por su módulo de elasticidad ajustable. Por este motivo, se utilizan en piezas que no requieren una gran elasticidad y, viceversa, en productos que sí la requieren. Las fibras de carbono a base de brea se dividen a su vez en fibras de brea mesofásica y fibras de brea isótropa.
La brea mesofásica es una fibra de carbono de alto rendimiento (HPCF) con alta resistencia y alto módulo, obtenida a partir de fibras de brea mesofásica, en las que las moléculas de la materia prima están orientadas en un estado cristalino líquido y presentan anisotropía óptica. En cambio, la brea isótropa presenta una orientación aleatoria de las moléculas que la componen y es ópticamente isótropa.
Las fibras de brea isotrópica resultantes son inferiores a las fibras de brea mesofásica en cuanto a propiedades mecánicas como la resistencia y el módulo, pero por lo demás tienen un rendimiento comparable y son fibras de carbono de uso general (GPCF) con un módulo inferior.
Más Información sobre las Fibras de Carbono
Métodos de Producción de las Fibras de Carbono
Dependiendo de la materia prima, las fibras de carbono se fabrican a partir de fibras de carbono con base de PAN o de fibras de carbono con base de brea.
- Ignifugación: el calentamiento a una temperatura de 200-300°C en el aire oxida las fibras y evita que se fundan en procesos posteriores.
- Carbonización: el calentamiento a 800-1600°C en atmósfera inerte elimina el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno de las fibras.
- Grafitización: grafitización del carbono mediante calentamiento a 2.500-3.000°C en atmósfera inerte para mejorar el módulo de elasticidad.
1. Fibras de Carbono a Base de PAN
Fabricadas a partir de fibras acrílicas (fibras PAN). En el proceso de ignifugación, las moléculas de las fibras acrílicas se calientan a 200-300 °C en aire para formar una estructura cíclica. En el proceso de carbonización, se aplica calor a más de 1.000 °C en gas inerte para cambiar la estructura molecular en una estructura cristalina de carbono.
Al final del proceso de carbonización se producen fibras de carbono con una gran resistencia y un alto módulo elástico, pero si las fibras se calientan aún más, a 2.000 °C o más, en el proceso de grafitización, la resistencia se reduce ligeramente, pero se obtienen fibras de grafito con un alto módulo elástico.
2. Fibras de Carbono a Base de Brea
Las fibras de carbono a base de brea se obtienen mediante la fabricación de fibras y la sinterización de brea de hulla y brea de petróleo, que quedan tras la destilación del alquitrán obtenido de la destilación seca de hulla y petróleo. Las fibras largas se fabrican a partir de la brea en un proceso de hilatura por fusión previo al proceso de resistencia a la llama, que se estabiliza a continuación para obtener fibras precursoras. Las fibras precursoras se retardan a la llama, se carbonizan y se grafitizan del mismo modo que las fibras de carbono a base de PAN para producir fibras de carbono a base de brea.