Definición
La fibra de
carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos
de 5–10 μm de diámetro y compuesto
principalmente por carbono Cada filamento de carbono es la unión de
muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se
fabrica a partir del poliacrilonitrilo.
Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como
la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia
al impacto que el acero.
Historia
En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en
el Centro Técnico de la Union Carbide
Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc.
El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963
en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en
Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa
del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce,
Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer
instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se
aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado
americano con motores para aviones.
Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para
encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de
carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del
petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una
excelente resistencia a la flexión.
Obtención
La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito.
El grafito es una forma de carbono puro. En el grafito los átomos de carbono
están dispuestos en grandes láminas de anillos aromáticos hexagonales
La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado
poliacrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando
se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen
anillos.
Al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus
hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una
serie de anillos piridínicos fusionados.
Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo,
las cadenas adyacentes se unen.
Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos
fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta
1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas.
Propiedades y características
Las propiedades principales de este material compuesto son:
·
Muy
Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
·
Baja densidad,
en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.
·
Elevado
precio de producción.
·
Resistencia
a agentes externos.
·
Gran
capacidad de aislamiento térmico.
·
Resistencia
a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza
matriz termoestable.
El refuerzo, fibra, es un
polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este
proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad
que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de
sus características una vez se ha obtenido la fibra.
Aplicaciones
·
Medios de transporte
·
Construcciones
·
Material deportivo
Estructura
Un filamento de carbono de 6 μm de
diámetro (desde abajo a la izquierda hasta arriba a la derecha), comparado con
un cabello humano.
La densidad de
la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de alta
conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más
grueso y corto.
Su densidad lineal (masa por unidad de longitud,
con la unidad * 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de
filamentos por yarda, en miles.
La primera generación de fibras de carbono (es
decir, T300 y AS4) tenían un diámetro de 7.8 micrómetros. Más tarde, se
alcanzaron fibras (IM6) con diámetros que son aproximadamente de 5 micras.
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