Artículo publicado originalmente en marzo de 2015
Está en los aviones que vemos volar en los cielos de todo el mundo, y también está en las bicicletas más potentes. Podemos ver las aplicaciones en accesorios deportivos, como palos, raquetas y muchos más, y en los tableros de los automóviles. Puede que no sepas cómo se fabrica ni todas las posibles aplicaciones, pero seguro que has oído hablar de este material: la fibra de carbono.
Al ser un material sintético, la fibra de carbono está formada por filamentos que en su mayoría son de carbono, pero no solo de ese elemento, ya que existen otros que se utilizan para la producción de filamentos y también para dar soporte a las fibras. Sin embargo, ¿qué hace que la fibra de carbono sea un material tan popular en todo el mundo? ¿Por qué queremos que esté cada día más presente?
La respuesta a esta pregunta es relativamente simple, pero requiere algunos conceptos básicos que revisará ahora mismo. En resumen, la fibra de carbono es ligera y resistente, lo que la convierte en una excelente opción para los hierros. Descubrirás cómo puede sustituir a otras aleaciones y por qué ha sido tan importante en los últimos años… Créeme, la fibra de carbono está más presente en tu vida de lo que crees.
¿Cómo se fabrica esta fibra?
La principal materia prima de las fibras de carbono es el polímero de poliacrilonitrilo, obtenido de la polimerización de una variante del acrílico. La ventaja de esta fuente es la alta concentración de carbono, ya que más del 90% de los átomos del material son precisamente eso. Durante la producción, el polímero se estira y se vuelve paralelo al eje de la fibra, formando una aleación muy rígida y resistente.
Después de este paso, se produce la oxidación a alta temperatura (de 200°C a 300°C) para provocar la eliminación de los átomos de hidrógeno de las láminas o aleaciones, al mismo tiempo que se aporta oxígeno. Luego se produce un nuevo aumento de la temperatura a 2500°C, de modo que se produce la carbonización total. Al final de todo eso, todavía hay escalado. Este proceso es el proceso de moldeado, en el que las fibras se tejen (en hilos de hasta 10 micrómetros de espesor) y luego se resinan para unirlas; esto se describirá mejor en el texto.
En resumen… La producción de fibras de carbono se desglosa en cuatro pasos esenciales: polimerización por pirólisis (extracción del carbono resultante del sobrecalentamiento del poliacrilonitrilo); ciclación (método de estiramiento de polímeros a lo largo del eje de las fibras); oxidación (extracción de hidrógeno y adición de oxígeno); y adición de reactivo (cuando se agregará el epoxi para el moldeo de las placas de carbón).
posibles materiales
Como ya hemos dicho, la pirólisis de materiales ricos en carbono es el origen de los polímeros de esta sustancia. Prácticamente cualquier material orgánico puede usarse para esto, pero la elección se basa completamente en la cantidad de carbono en cada fuente. En 1879, Thomas Edison logró crear fibras de algodón y bambú, pero hoy en día este tipo de extracción se ha vuelto menos viable.
Años más tarde, en la década de 1950, Roger Bacon realizó un proceso diferente y logró resultados similares con seda artificial de rayón. Pero no fue hasta la década de 1960 que las empresas japonesas comenzaron a utilizar poliacrilonitrilo (PAN). No pasó mucho tiempo para que todo el mercado recurriera a este mismo proceso, que demostró ser más viable y económico a escala industrial.
Todavía hay otras fuentes utilizadas en el mundo, pero hay que decir que se da en menor escala. Un ejemplo de esto es el automóvil Krestel, que fue producido en 2010 y está basado en fibra de carbono extraída del cáñamo. También hay fibras producidas a partir de algodón, lino y varios otros materiales orgánicos.
La importancia del pegamento.
La fibra de carbono no sería nada sin la presencia de un pegamento tan fuerte. Por supuesto, no podemos hablar de la fijación como un pegamento común, sino como una resina epoxi de alto rendimiento. Esto es lo que hará que el tablero de fibra esté estabilizado y rugoso. No es exagerado decir que, sin las resinas epoxi, las fibras de carbono no tendrían la resistencia que permite su aplicación en tantos soportes como en la actualidad.
como el sitio web Ars-Technica dice: “La fuerza y la ligereza de la fibra de carbono provienen de dos cosas. En primer lugar, los componentes que formarán la base de los filamentos de carbono, así como el epoxi que formará el elemento base. La segunda cosa es el intercambio químico entre dos elementos que hará que el material se mezcle, permitiendo que el epoxi realmente lo retenga todo.
Compuestos o nada
No encontrarás un producto 100% carbono en el mercado. Las empresas utilizan el material con otros elementos para que las fibras sean aplicables en diversos procesos. Esto es lo que genera materiales compuestos reforzados con plástico o aleaciones metálicas, por ejemplo.
En la industria, una de las aplicaciones más obvias de esto es el “Plástico reforzado con fibra de carbono” (CFRP), que se utiliza en aviones y muchos otros productos de alto rendimiento que exigen una gran durabilidad. Este es otro momento en el que la importancia vital de los epoxis de alta calidad se vuelve muy clara.
¿Por que usar?
Una de las principales ventajas de las fibras de carbono frente al acero es la ligereza del material. Sin el peso de los metales, las estructuras se vuelven más livianas -facilitando el transporte y también reduciendo costos en el caso de la producción de vehículos- al mismo tiempo que no se pierde la resistencia de las aleaciones obtenidas de la unión de fibras de carbono con epoxis. y plásticos.
En el campo de la construcción civil, lo que hace que los compuestos de carbono sean más interesantes que los metales es su durabilidad. Gracias a su estructura no oxidante, la acción del tiempo no provoca la corrosión de los materiales. Es decir, se puede mantener durante muchos años sin que se produzcan daños por procesos similares a la «oxidación».
usos y beneficios
Las aleaciones a base de fibra de vidrio son llevadas a diferentes mercados, siendo siempre utilizadas para garantizar ligereza y resistencia a los productos en los que se aplican. El CFRP utilizado en los aviones es vital para que los aviones sean más ligeros y ahorren combustible, además de sufrir menos la acción del tiempo, aumentando la durabilidad.
En la Fórmula 1, los autos creados con fibras de carbono alcanzan velocidades más altas y protegen a los conductores mejor que otras aleaciones. Moviéndose a entornos más cercanos a casa, las bicicletas de «Carbono» que se ven en las pistas profesionales pueden ofrecer un rendimiento inigualable, y también se ven en las carreras de carretera.
Aún en el ámbito del deporte, hay que decir que la fibra de carbono se encuentra en muchos lugares. La compañía Zoltek dice que el uso del material se puede ver en «palos de golf, raquetas de tenis, esquís, tablas de snowboard, palos de hockey y cañas de pescar». Por no hablar de la importancia en la industria, en los sectores de investigación y desarrollo y también en la construcción civil.
figuras concretas
En 2012, un informe publicado en Plásticos reforzados mostró los usos de la fibra de carbono a escala mundial. En ese momento, el mayor uso de materiales estaba relacionado con la producción de aerogeneradores para fines aeroespaciales y automotrices (23% del total). Le siguen los productos destinados a la guerra y la construcción aeronáutica con un 18%, seguidos de cerca por los artículos deportivos (17%).
Otra vía rentable es la producción de composites y moldes varios, algo que se lleva el 12% de toda la fibra del mundo. Solo el 6% de la producción mundial es para la construcción civil, y la industria automotriz también demanda fibra de carbono y alcanza el 5% del uso total – recordando que la fibra de vidrio es la más utilizada en este segmento.
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Ya debe haber entendido esto: las fibras de carbono son de suma importancia para la tecnología. De todos los usos del material, ¿cuál influye más en tu vida? ¿Serán las fibras de carbono aún más importantes en el futuro?