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LA FIBRA DE CARBONO
La fibra de carbono es el trmino con el cual se hace referencia a un
material compuesto de ndole no metlico y de la clase de los
polimricos. En cuanto a la composicin de la fibra de carbono,
podemos decir que est formado por una matriz. La fibra de carbono
es el desarrollo ms reciente en el campo de los materiales
compuestos siguiendo la idea de que uniendo fibras sintticas con
varias resinas, se pueden lograr materiales de baja densidad, muy
resistentes y duraderos.
A la misma se la conoce tambin con el nombre de fase dispersante,
cuya finalidad es la de darle forma a la resina. Dicha pieza o resina
contiene un refuerzo que est realizado mediante el empleo de fibras
de carbono y cuya materia prima constitutiva es el polietilnitrilio.
Asimismo se trata de un material sumamente caro, en especial
porque tiene muy buenas propiedad mecnicas, las cuales son muy
elevadas, al tiempo que cuenta con una gran ligereza.
Otras razones por las cuales tienen un precio muy elevado es porque
se trata de un polmero sinttico cuyo sistema de produccin es muy
extenso y, por ende, ms que costoso. A dicho proceso se lo debe
llevar a cabo con una temperatura alta que ronde los 1100 y 2500
en una atmsfera de hidrgeno. Este proceso ha llegado a durar
meses, siempre dependiendo de la calidad que se busque para elresultado final. Por otra parte, cuando se emplean materiales
termoestables se puede llegar a retrasar el procedimiento,
fundamentalmente porque pasa a ser necesitado un complejo utillaje
o dispositivo especializado en el tema, siendo un buen ejemplo de
esto el horno calificado como autoclave. La fibra de carbono,
comparte con las de vidrio el caso de la metonomia, es decir, un
recurso literario que implica darle al todo el nombre de una parte,
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como aqu ocurre con el de las fibras que funcionan como
reforzadoras del material y no viceversa. Debido a que es un material
compuesto, en casi todas las ocasiones lo que se emplea son
polmeros termoestables. En cuanto al polmero propiamente dicho,se trata de una suerte de resina epoxy de la clase de las
termoestables. Sin embargo, otro tipo de polmeros (un ejemplo es el
polister) se puede usar tambin como base para el material que nos
ocupa, a pesar de que esto no sucede muy frecuentemente.
La fibra de carbono (FC) se desarroll inicialmente para la industria
espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros
campos: la industria del transporte, aeronutica, al deporte de alta
competicin y, ltimamente encontramos la FC hasta en carteras de
bolsillo y relojes.
La FC est compuesta por muchos hilos de carbono en forma de
hebra. Existen muchas clases de FC con propiedades diversas,
adaptadas a muchas aplicaciones. Otras propiedades muy apreciables
en la fibra de carbono son la resistencia a la corrosin, al fuego einercia qumica y la conductividad elctrica. Ante variaciones de
temperatura conserva su forma.
Es un caso comn de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre
de una parte: el nombre de las FC que refuerzan la matriz de resina.
La fibra de carbono es un polmero convertido en fibra. En la mayora
de los casos, las FC permanecen como carbn no graftico. El trmino
fibra de grafito solo est justificado, cuando las FC han sido
sometidas a un tratamiento trmico de grafitizacin (2000-3000
C),que les confiere un orden cristalino tridimensional, observable
mediante rayos X.
La cristalografa de rayos X nos permite conocer la estructura exacta
de cada tipo de FC. Nos resulta extrao, pero nos recuerda mucho al
grafito: una estructura hexagonal. El grafito, la mina de lpiz, es todo
lo contrario: blando y frgil. Es un altropo del carbono.
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A nivel atmico no podemos comprender las diferencias entre la fibra
de carbono y el grafito, pero la estructura es diferente: observamos
muchos cambios en la superposicin de las fibras y las cintas en la FC
y en el grafito.El grafito tiene una estructura plana triangula con enlaces triples y
queda un electrn libre. Este electrn libre explica que el grafito es
una de las pocas estructuras no metlicas que conducen la
electricidad. La fibra de carbono tambin es conductora.
La fibra de grafito cristaliza en el sistema exagonal,el panal de abeja.
La mayora de las fibras no son de grafito sino de carbono,obtenidas
a menor temperatura.
FIBRAS DE CARBONO Y MATERIALES COMPUESTOS C/C:
Las fibras de carbono o fibras de carbn (FC) son slidos que
presentan una morfologa fibrosa en forma de filamentos, o una
trenza de stos, y con un contenido mnimo en carbono del 92 %
en peso. Las FC se obtienen por carbonizacin (12001400 C)
de fibras orgnicas naturales o sintticas, o de fibras
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procedentes de precursores orgnicos. En la mayora de los
casos, las fibras de carbono permanecen como carbn no
graftico. Por tanto en trmino de fibras de grafito solo est
justificado cuando las fibras de carbono (siempre y cuando seangrafitizables) han sido sometidas a un tratamiento trmico de
grafitizacin (20003000 C) que les confiere un orden cristalino
tridimensional que puede observarse mediante difraccin de
rayos X.
Los procedimientos mas utilizados para la preseparacin de
materiales compuestos C/C son el depsito qumico en fase de
vapor (CVD) y la impregnacin lquida, los cuales se pueden
utilizar bien de forma individual o bien de forma combinada. En
el primer procedimiento, las FC se exponen a una corriente de un
hidrocarburo (metano) que a las altas temperaturas del
tratamiento se descompone y deposita en forma de carbn
pirlitico sobre la superficie de la fibra. En el caso de la
impregnacin lquida la preparacin del material conlleva dosetapas consecutivas, la impregnacin de la fibra con un
precursor orgnico dando lugar al preimpregnado y la
transformacin de este percusor en matriz de carbono mediante
la aplicacin de ciclos trmicos controlados en atmsfera inerte
(carbonizacin). Dependiendo de las aplicaciones finales del
material este puede someterse a un proceso de grafitizacin a
temperaturas del orden de los 2500 C. En los materiales en los
que se requiere una gran densidad y altas propiedades
mecnicas, los materiales compuestos C/C pueden someterse a
un proceso de densificacin mediante infiltracin del precursor de
la matriz o mediante CVD.
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Fabricacin de los materiales compuestos C/C
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SNTESIS DE LA FIBRA DE CARBONO:
Un mtodo comn de obtener filamentos de carbono es la oxidacin y
pirlisis trmica del PAN (poliacrilonitrilo), un polmero usado para
crear muchos materiales sintticos. Como todos los polmeros, el PANforma largas cadenas de molculas, alineadas para hacer el filamento
continuo. Cuando se caliente el PAN en correctas condiciones de
temperatura, las cadenas PAN se juntan lado a lado, para formar
cintas de grafeno.
El precursor ms usado para obtener la fibra es el PAN
(poliacrilonitrilo).Es el resultado de los trabajos de Shindo, a principio
de los aos 60 en Japn, posteriormente continuados por Watt, en
Inglaterra y Bacon y Singer en EE.UU..
Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil
metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo.
El PAN o su copolmero es hilado utilizando la tcnica de hilado
hmedo. Tambin se emplea la tcnica de hilado fundido a veces. El
primer paso es estirar el polmero de forma que quede paralelo a lo
que ser el eje de la fibra y se oxida a 200-300 C en aire, un
proceso ,que aade oxgeno a la molcula de PAN y crea la estructura
hexagonal. El polmero que antes era blanco, ahora es negro.
El segundo precursor es una mesofase de la brea-alquitrn
(petroleum-pitch y coal-pitch).
La mesosfase lquida cristalina de alquitrn se utiliza para obtener
fibras de alto mdulo. Petrleo, carbn mineral y policloruro de vinilo
son las fuentes comunes del alquitrn. Desde 1980 se obtienen FC a
partir de breas de mesofase de alto mdulo para aplicaciones que
requieren fibras de muy altas prestaciones.
Finalmente recordemos a la celulosa, pero es menos empleada.
Las fibras basadas en el PAN tienen dimetros que oscilan entre 5 y 7
micras. Y las del alquitrn 10-12 micras.
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Para ganar una regata, hace falta que el casco(el flotador)sea lo ms
ligero posible.De ah la necesidad de un casco con fibra de
carbono.Abajo,la orza de plomo,contrapesa a la vela,y equilibra al
velero.La FC se clasifica por el nmero de filamentos, en miles, de que
consta la hebra. Una FC 3k (3000 filamentos)es 3 veces ms
resistente que una de solo 1k, pero tambin pesa 3 veces ms.
Con esa hebra se teje una tela de FC.
CARBONIZACIN:
Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamientotrmico de carbonizacin: el PAN se calienta a 2500-2000 C en
atmsfera sin oxgeno, se alinean las cadenas del polmero hasta
formar hojas de grafeno, cintas delgadsimas ,bidimensionales, y se
logra una resistencia a la traccin de 5.650 N/mm2.
La naturaleza nos da lecciones en el uso de materiales compuestos.
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GRAFITIZACIN:
Si calentamos el PAN a 2500-3000 C conseguimos la resistencia
mxima de la FC: 531 000 N/mm2.Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar lminas y tubos,
que sern luego impregnados en una resina epoxi en un molde. Una
vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma
mecnicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la
pala de una hlice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las
temperaturas de tratamiento:
La fibra de alto mdulo:
Es la ms rgida y requiere una temperatura mayor de tratamiento.
Su mdulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor
todava, el monocristal de grafito tiene un mdulo de 1050 GPa. El
mdulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las
aleaciones de aluminio.
La fibra de alta resistencia a la traccin:
Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a traccin,
con valores superiores a 300 GPa.
La fibra estndar:
Es la ms econmica y de estructura istropa. La rigidez es menor
que en las anteriores; la temperatura de tratamiento es ms baja. Se
comercializa como fibras cortas.
fibras de carbono activadas:
se obtienen mediante carbonizacin y activacin fsica o qumica
de distintos precursores (breas, rayon, poliacetatos, resinasfenlicas, etc.). Se caracterizan por presentar una gran superficie
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especfica, tamao de poros muy uniforme y velocidades de
adsorcin/desercin unas 100 veces superior a la de los carbones
activos. Estas fibras tambin se pueden obtener en forma de
telas o fieltros.
Otro tipo de fibras que difiere de las anteriores en cuanto a sus
caractersticas y mtodo de obtencin son lafibras de carbono
crecidas en fase de vapor (vapour ground carbon fibres VGCF).
Estas fibras se obtienen mediante un proceso cataltico de
deposito qumico en fase de vapor. Aunque de tamao mucho
menor que las anteriores, estas FC presentan una gran variedad
de tamaos que van desde unos pocos centmetros hasta las
micro y nanofibras.
Las FC presentan un amplio rango de estructuras en lo que se
refiere a la orientacin de los planos grafticos tanto en la
direccin del eje de la fibra como perpendiculares a ste.
http://www.oviedo.es/personales/carbon/nanotubos/nanotubos.htmhttp://www.oviedo.es/personales/carbon/nanotubos/nanotubos.htmhttp://www.oviedo.es/personales/carbon/nanotubos/nanotubos.htmhttp://www.oviedo.es/personales/carbon/nanotubos/nanotubos.htm -
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Entre los rasgos principales de la fibra de carbono compuesto
podemos destacar una gran cantidad. Uno de ellos es su elevada
resistencia a todo lo mecnico, ya que funciona con una suerte de
mdulo de elasticidad muy elevado. Otra caracterstica importante esla baja densidad que posee, sobre todo si se trazan paralelismos con
otros elementos (el acero, por mencionar un ejemplo). Su elevado
precio es algo que definitivamente diferencia a este material de otros
y que se produce por las razones mencionadas anteriormente. Otra
clase de resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a
los agentes exteriores, a lo que podemos unir su capacidad para
realizar un aislamiento.
Una resistencia ms que posee es aquella vinculada con las
variaciones en los grados de temperatura, pudiendo adems
conservar su forma, aunque siempre y cuando intervenga la matriz
termoestable. Asimismo, cuenta con buenas propiedades ignfugas.
En lo que respecta a los usos, la fibra de carbono es ampliamente
utilizada en industrias como la aeronutica y automovilstica, altiempo que puede ser empleada para la fabricacin de barcos y
bicicletas, donde se destacan como fundamentales sus propiedades
mecnicas y su relevante rasgo de ligereza. Muchas computadoras
porttiles, trpodes e incluso caas para realizar tareas de pesca
tambin tienen este material en su composicin.
Atendiendo a sus propiedades mecnicas las FC puedenclasificarse en:
Fibras de ultra alto mdulo (UHM):
Son aquellas que presentan un mdulo elasticidad superior a los
500 Gpa (i.e. < 50% del mdulo elstico del monocristal de
grafito, 1050 Gpa).
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Algunas estructuras presentadas por las fibras de carbono
PRINCIPALES USOS DE LA FIBRA DE CARBONO:
Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se
deben a Edison, el cual prepar fibras de carbono por
carbonizacin de filamentos de fibras de bamb (celulosa) y
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fueron utilizadas en la preparacin de filamentos para lmparas
incandescentes. Con posterioridad habra que esperar hasta
1960 hasta que Union Carbide desarrollo un procedimiento
industrial de obtencin de fibras continuas de carbono de altomdulo de Young a partir de fibras de rayn. En 1966 fibras de
carbono de alto mdulo y tensin de ruptura fueron obtenidas a
partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo). En esta poca tambin
se desarrollaron FC obtenidas a parir de breas de carbn y
petrleo y de resinas fenlicas, sin embargo estas FC presentan
propiedades mecnicas inferiores y se comercializan como fibras
de carbono de uso general. En los aos 1980s se preparan FC a
partir de breas de mesofase de ultra-alto mdulo que se utilizan
en un nmero limitado de aplicaciones que requieren fibras de
muy altas prestaciones.
Aunque existe una gran variedad de FC basadas en los distintos
precursores, procesos qumicos y tecnolgicos, su preparacin
conlleva las siguientes etapas comunes:
(i) Hilado de las fibras a partir de una disolucin o fundido:
(ii) Estabilizacin de las fibras hiladas mediante pre-oxidacin o
estabilizacin trmica, para evitar que la fibra se funda en el
posterior proceso de carbonizacin
(iii) Carbonizacin en atmsfera inerte (1200 1400 C).
Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de carbono
de uso general (FCUG). Para obtener fibras de carbono de altas
prestaciones (FCAP), fibras de carbono conductoras (FC) o fibras
de grafito (FG) es necesario someter las FC a tratamientos
trmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los
2000 y los 3000 C.
http://www.oviedo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/fibras%20de%20carbono.htm#bombilla%23bombillahttp://www.oviedo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/fibras%20de%20carbono.htm#bombilla%23bombillahttp://www.oviedo.es/personales/carbon/brea/brea.htmhttp://www.oviedo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/fibras%20de%20carbono.htm#bombilla%23bombillahttp://www.oviedo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/fibras%20de%20carbono.htm#bombilla%23bombillahttp://www.oviedo.es/personales/carbon/brea/brea.htm -
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En muchos casos tambin es necesario someter las fibras a un
tratamiento superficial (generalmente de oxidacin que generan
grupos superficiales oxigenados en la superficie de las fibras que
aumentan su mojabilidad) para mejorar la adhesin a la matriz.
Entre los rasgos principales de la fibra de carbono compuesto
podemos destacar una gran cantidad. Uno de ellos es su elevada
resistencia a todo lo mecnico, ya que funciona con una suerte de
mdulo de elasticidad muy elevado. Otra caracterstica importante es
la baja densidad que posee, sobre todo si se trazan paralelismos con
otros elementos (el acero, por mencionar un ejemplo). Su elevado
precio es algo que definitivamente diferencia a este material de otros
y que se produce por las razones mencionadas anteriormente. Otra
clase de resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a
los agentes exteriores, a lo que podemos unir su capacidad para
realizar un aislamiento.
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Algunas aplicaciones de los materiales compuestos C/C
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Invent Edison la bombilla elctrica?. La primera fibra de
carbono de aplicacin industrial y la invencin de la bombilla
elctrica
Dibujo de la bombilla elctrica de Edison en una de las mltiples
patentes que solicito de esta invencin
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Violines de alta calidad hechos con materiales compuestos C/C
El mundo de la msica ha sufrido una revolucin merced a la a la
creacin de instrumentos fabricados con criterios cientficos. El ms
difcil de producir de este modo por sus caractersticas tcnicas, as
como por toda la carga simblica que ha acumulado a lo largo de ms
de 500 aos, es el violn. Pero para tristeza de los luthire, los
ingenieros han construido violines con materiales compuestos C/C
(fibras de grafito y resina expoxi). Expertos opinan que en algunos
casos estos violines sintticos alcanzan la calidad de los
Stradivarius. Un violn hecho de madera balsa y fibra de grafito fue
alabado por violinistas de la talla de Ingolf Turban, quien en un
ejercicio de prueba compar uno de estos instrumentos con un
Stradivarius de 1721; el artista grab pasajes del Concierto para
violn en re mayor de Mozart usando ambos. Al finalizar Turban
exclam: jams he tocado un violn tan resonante. Ya no es como
tocar el violn, sino como cantar.
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Nuevas y mayores estructuras de una sola pieza en fibra de carbono
para cohetes
Acuerdo para la produccin en fibra de carbono de dos piezas del
cohete Ariane: nuevos adaptadores de carga til y cajas de equipos
con nueva tecnologa. Son estructuras de gran tamao, ya que el
dimetro del cohete Ariane 5 es 5,4 metros.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
Ibarra, I. Materiales compuestos de matriz elastomricatermoplstica. R. de Plsticos Modernos, diciembre 2005.
Miravete, A. Hacia la fibra de carbono. Materiales de construccin,Vol. 51, julio-diciembre 2001.
Seymour, R. S. Qumica de los polmeros. Revert. Barcelona 2002.