Las fibras de carbono o fibras de carbono (alternativamente CF, fibra de grafito o fibra de grafito) son fibras de aproximadamente 5 a 10 micrómetros (0,00020–0,00039 pulgadas) de diámetro y compuestas principalmente de átomos de carbono . [1] Las fibras de carbono tienen varias ventajas: alta rigidez, alta resistencia a la tracción, alta relación resistencia-peso, alta resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica. [2] Estas propiedades han hecho que la fibra de carbono sea muy popular en la industria aeroespacial, la ingeniería civil, el ejército, los deportes de motor y otros deportes de competición. [3] Sin embargo, son relativamente caras en comparación con fibras similares, como la fibra de vidrio , las fibras de basalto o las fibras de plástico. [4]
Para producir una fibra de carbono, los átomos de carbono se unen entre sí en cristales que están más o menos alineados en paralelo al eje largo de la fibra, ya que la alineación de los cristales le da a la fibra una alta relación resistencia-volumen (en otras palabras, es fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono se agrupan para formar un haz , que puede usarse solo o entretejido en una tela.
Las fibras de carbono se suelen combinar con otros materiales para formar un compuesto . Por ejemplo, cuando se impregnan con una resina plástica y se hornean , forman un polímero reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado fibra de carbono), que tiene una relación resistencia-peso muy alta y es extremadamente rígido aunque algo frágil. Las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como el grafito , para formar compuestos carbono-carbono reforzados , que tienen una tolerancia al calor muy alta.
Los materiales reforzados con fibra de carbono se utilizan para fabricar piezas de aeronaves y naves espaciales, carrocerías de automóviles de carreras, ejes de palos de golf, cuadros de bicicletas, cañas de pescar, resortes de automóviles, mástiles de veleros y muchos otros componentes donde se necesita peso ligero y alta resistencia.
En 1860, Joseph Swan produjo fibras de carbono por primera vez, para su uso en bombillas. [5] En 1879, Thomas Edison horneó hilos de algodón o astillas de bambú a altas temperaturas, carbonizándolos hasta formar un filamento de fibra de carbono que se utilizó en una de las primeras bombillas incandescentes que se calentaban con electricidad. [6] En 1880, Lewis Latimer desarrolló un filamento de alambre de carbono fiable para la bombilla incandescente, calentado con electricidad. [7]
En 1958, Roger Bacon creó fibras de carbono de alto rendimiento en el Centro Técnico de Parma de Union Carbide, ubicado en las afueras de Cleveland , Ohio . [8] Esas fibras se fabricaban calentando hebras de rayón hasta que se carbonizaban . Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían solo un 20 % de carbono. A principios de la década de 1960, el Dr. Akio Shindo desarrolló un proceso en la Agencia de Ciencia Industrial y Tecnología de Japón, utilizando poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Esto había producido una fibra de carbono que contenía aproximadamente un 55 % de carbono. En 1960, Richard Millington de HI Thompson Fiberglas Co. desarrolló un proceso (patente de EE. UU. n.º 3 294 489) para producir una fibra con alto contenido de carbono (99 %) utilizando rayón como precursor. Estas fibras de carbono tenían suficiente resistencia (módulo de elasticidad y resistencia a la tracción) para ser utilizadas como refuerzo para compuestos con propiedades de alta resistencia al peso y para aplicaciones resistentes a altas temperaturas.
La alta resistencia potencial de la fibra de carbono se descubrió en 1963 en un proceso desarrollado por W. Watt, LN Phillips y W. Johnson en el Royal Aircraft Establishment en Farnborough, Hampshire . El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido , luego licenciado por la British National Research Development Corporation a tres empresas: Rolls-Royce , que ya fabricaba fibra de carbono; Morganite; y Courtaulds . En pocos años, después del uso exitoso en 1968 de un conjunto de ventilador de fibra de carbono Hyfil en los motores a reacción Rolls-Royce Conway del Vickers VC10 , [9] Rolls-Royce aprovechó las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado estadounidense con su motor aeronáutico RB-211 con álabes de compresor de fibra de carbono. Desafortunadamente, los álabes resultaron vulnerables a los daños por el impacto de las aves . Este problema y otros causaron a Rolls-Royce tales reveses que la empresa fue nacionalizada en 1971. La planta de producción de fibra de carbono se vendió para formar Bristol Composite Materials Engineering Ltd [10] (a menudo denominada Bristol Composites).
A finales de los años 60, los japoneses tomaron la delantera en la fabricación de fibras de carbono basadas en PAN. Un acuerdo de tecnología conjunta de 1970 permitió a Union Carbide fabricar el producto japonés Toray Industries . Morganite decidió que la producción de fibra de carbono era periférica a su negocio principal, y dejó a Courtaulds como el único gran fabricante del Reino Unido. El proceso inorgánico a base de agua de Courtaulds hizo que el producto fuera susceptible a impurezas que no afectaban al proceso orgánico utilizado por otros fabricantes de fibra de carbono, lo que llevó a Courtaulds a cesar la producción de fibra de carbono en 1991.
Durante la década de 1960, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas condujo a la introducción de fibras de carbono hechas de brea de petróleo derivada del procesamiento del petróleo. Estas fibras contenían aproximadamente un 85% de carbono y tenían una excelente resistencia a la flexión. Además, durante este período, el gobierno japonés apoyó fuertemente el desarrollo de la fibra de carbono en el país y varias empresas japonesas como Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon y Mitsubishi comenzaron su propio desarrollo y producción. Desde finales de la década de 1970, otros tipos de hilo de fibra de carbono ingresaron al mercado global, ofreciendo mayor resistencia a la tracción y mayor módulo elástico. Por ejemplo, T400 de Toray con una resistencia a la tracción de 4.000 MPa y M40, un módulo de 400 GPa. Se desarrollaron fibras de carbono intermedias, como IM 600 de Toho Rayon con hasta 6.000 MPa. Las fibras de carbono de Toray, Celanese y Akzo se utilizaron en la industria aeroespacial, pasando de componentes secundarios a primarios, primero en aviones militares y luego en aviones civiles, como en los aviones de McDonnell Douglas, Boeing, Airbus y United Aircraft Corporation . En 1988, el Dr. Jacob Lahijani inventó una fibra de carbono equilibrada con un módulo de Young ultraalto (superior a 100 Mpsi) y una resistencia a la tracción elevada (superior a 500 kpsi), que se utiliza ampliamente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. En marzo de 2006, la patente fue cedida a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee . [11]
La fibra de carbono se suministra frecuentemente en forma de un cable continuo enrollado en un carrete. El cable es un haz de miles de filamentos de carbono individuales continuos unidos y protegidos por un revestimiento orgánico, o cola, como óxido de polietileno (PEO) o alcohol polivinílico (PVA). El cable se puede desenrollar cómodamente del carrete para su uso. Cada filamento de carbono en el cable es un cilindro continuo con un diámetro de 5 a 10 micrómetros y consiste casi exclusivamente en carbono . La primera generación (por ejemplo, T300, HTA y AS4) tenía diámetros de 16 a 22 micrómetros . [12] Las fibras posteriores (por ejemplo, IM6 o IM600) tienen diámetros de aproximadamente 5 micrómetros. [12]
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito , y está formada por láminas de átomos de carbono dispuestas en un patrón hexagonal regular (láminas de grafeno ), con la diferencia de que estas láminas se entrelazan. El grafito es un material cristalino en el que las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son fuerzas de Van der Waals relativamente débiles , lo que le da al grafito sus características blandas y quebradizas.
Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostrática o grafítica, o tener una estructura híbrida con partes tanto grafíticas como turbostráticas presentes. En la fibra de carbono turbostrática, las láminas de átomos de carbono están plegadas o arrugadas al azar. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea mesofásica son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200 °C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener una alta resistencia a la tracción máxima , mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea mesofásica tratadas térmicamente tienen un alto módulo de Young (es decir, alta rigidez o resistencia a la extensión bajo carga) y alta conductividad térmica .
La fibra de carbono puede tener un coste mayor que otros materiales, lo que ha sido uno de los factores limitantes para su adopción. En una comparación entre el acero y los materiales de fibra de carbono para materiales automotrices , la fibra de carbono puede ser entre 10 y 12 veces más cara. Sin embargo, este sobrecosto ha disminuido en la última década desde las estimaciones de principios de la década de 2000, que indicaban que era 35 veces más cara que el acero. [13]
La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos , en particular la clase de materiales conocidos como polímeros reforzados con fibra de carbono o grafito . Los materiales no poliméricos también se pueden utilizar como matriz para fibras de carbono. Debido a la formación de carburos metálicos y consideraciones de corrosión , el carbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica . El carbono-carbono reforzado (RCC) consiste en grafito reforzado con fibra de carbono y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también se utiliza en la filtración de gases de alta temperatura, como un electrodo con gran área de superficie y una resistencia impecable a la corrosión , y como un componente antiestático . El moldeo de una capa delgada de fibras de carbono mejora significativamente la resistencia al fuego de los polímeros o compuestos termoendurecibles porque una capa densa y compacta de fibras de carbono refleja eficazmente el calor. [14]
El uso cada vez mayor de compuestos de fibra de carbono está desplazando al aluminio de las aplicaciones aeroespaciales en favor de otros metales debido a problemas de corrosión galvánica . [15] [16] Sin embargo, hay que tener en cuenta que la fibra de carbono no elimina el riesgo de corrosión galvánica. [17] En contacto con el metal, forma "una celda de corrosión galvánica perfecta..., y el metal estará sujeto al ataque de corrosión galvánica" a menos que se aplique un sellador entre el metal y la fibra de carbono. [18]
La fibra de carbono se puede utilizar como aditivo del asfalto para fabricar hormigón asfáltico conductor de electricidad. [19] El uso de este material compuesto en la infraestructura de transporte, especialmente en el pavimento de los aeropuertos, reduce algunos problemas de mantenimiento invernal que provocan la cancelación o el retraso de los vuelos debido a la presencia de hielo y nieve. El paso de corriente a través de la red 3D de fibras de carbono del material compuesto disipa la energía térmica que aumenta la temperatura de la superficie del asfalto, lo que puede derretir el hielo y la nieve que se encuentra sobre él. [20]
Los precursores de las fibras de carbono son el poliacrilonitrilo (PAN), el rayón y la brea . Los hilos de filamentos de fibra de carbono se utilizan en varias técnicas de procesamiento: los usos directos son para preimpregnación, bobinado de filamentos, pultrusión, tejido, trenzado, etc. El hilo de fibra de carbono se clasifica por la densidad lineal (peso por unidad de longitud; es decir, 1 g/1000 m = 1 tex ) o por el número de filamentos por recuento de hilo, en miles. Por ejemplo, 200 tex para 3000 filamentos de fibra de carbono es tres veces más fuerte que un hilo de 1000 filamentos de carbono, pero también es tres veces más pesado. Este hilo se puede utilizar para tejer una tela o un paño de filamentos de fibra de carbono . La apariencia de esta tela generalmente depende de la densidad lineal del hilo y del tejido elegido. Algunos tipos de tejido comúnmente utilizados son sarga , satén y liso . Los hilos de filamentos de carbono también se pueden tejer o trenzar .
Las fibras de carbono se utilizan para la fabricación de microelectrodos de fibra de carbono . En esta aplicación, normalmente se sella una única fibra de carbono con un diámetro de 5 a 7 μm en un capilar de vidrio. [21] En la punta del capilar se sella con epoxi y se pule para hacer un microelectrodo de disco de fibra de carbono, o se corta la fibra a una longitud de 75 a 150 μm para hacer un electrodo cilíndrico de fibra de carbono. Los microelectrodos de fibra de carbono se utilizan en amperometría o voltamperometría cíclica de barrido rápido para la detección de señalización bioquímica.
A pesar de ser conocidas por su conductividad eléctrica, las fibras de carbono solo pueden transportar corrientes muy bajas por sí solas. Cuando se tejen en telas más grandes, se pueden usar para proporcionar calefacción (por infrarrojos) de manera confiable en aplicaciones que requieren elementos de calefacción eléctricos flexibles y pueden soportar fácilmente temperaturas superiores a los 100 °C. Se pueden ver muchos ejemplos de este tipo de aplicación en prendas de vestir y mantas calefactadas caseras . Debido a su inercia química, se puede usar con relativa seguridad entre la mayoría de las telas y materiales; sin embargo, los cortocircuitos causados por el plegado del material sobre sí mismo provocarán un aumento de la producción de calor y pueden provocar un incendio.
Cada filamento de carbono se produce a partir de un polímero como el poliacrilonitrilo (PAN), el rayón o la brea de petróleo . Todos estos polímeros se conocen como precursores. Para polímeros sintéticos como el PAN o el rayón, el precursor se hila primero en hilos de filamento, utilizando procesos químicos y mecánicos para alinear inicialmente las moléculas de polímero de una manera que mejore las propiedades físicas finales de la fibra de carbono completa. Las composiciones de los precursores y los procesos mecánicos utilizados durante el hilado de hilos de filamento pueden variar entre los fabricantes. Después del estirado o hilado, los hilos de filamento de polímero se calientan para eliminar los átomos que no son de carbono ( carbonización ), produciendo la fibra de carbono final. Los hilos de filamento de fibras de carbono pueden tratarse más para mejorar las cualidades de manejo, y luego enrollarse en bobinas . [22]
Un método común de fabricación implica calentar los filamentos de PAN hilados a aproximadamente 300 °C en aire, lo que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida el material. Luego, el PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón y se calienta a aproximadamente 2000 °C, lo que induce la grafitización del material, cambiando la estructura de enlace molecular. Cuando se calienta en las condiciones correctas, estas cadenas se unen de lado a lado (polímeros en escalera), formando láminas estrechas de grafeno que finalmente se fusionan para formar un solo filamento columnar. El resultado suele ser un 93-95% de carbono. Se puede fabricar fibra de menor calidad utilizando brea o rayón como precursor en lugar de PAN. El carbono se puede mejorar aún más, como carbono de alto módulo o de alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El carbono calentado en el rango de 1500 a 2000 °C (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (5650 MPa o 820 000 psi ), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 a 3000 °C (grafitización) exhibe un módulo de elasticidad más alto (531 GPa o 77 000 000 psi).
