la fibra de carbono edgard

8/8/2019 La Fibra de Carbono Edgard

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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.
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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.
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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.

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