viernes, 18 de noviembre de 2011

Fibra de carbono

Introducción
La fibra de carbono (fibrocarbono) es un material formado por fibras de 5-10 micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales que son más o menos alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra. La alineación de cristal da a la fibra de alta resistencia en función del volumen (lo hace fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela.
Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial, ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros deportes. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso.
Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Cuando se combina con una resina plástica es moldeada para formar un plástico reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado también como fibrocarbono) el cual tiene una muy alta relación resistencia-peso, extremadamente rígido, aunque el material es un tanto frágil. Sin embargo, las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como por ejemplo con el grafito para formar compuestos carbono-carbono, que tienen una tolerancia térmica muy alta.

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., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y ​ de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono.
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.
Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites".
Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces.
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.

Síntesis
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 aumentar 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:

De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito.

Estructura y propiedades
Cada hilo de filamento de carbono es un conjunto de muchos miles de filamentos de carbono. Uno de estos filamentos es un tubo delgado con un diámetro de 5.8 micrómetros y se compone casi exclusivamente de carbono. 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.
Tela de fibra de carbono
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles (fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características blandas y quebradizas. Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas y turbostráticas. En fibra de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200°C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener alta resistencia a la tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea de mesofase derivada en fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica. 

Proceso de fabricación
Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor es primeramente hilado en filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono obtenida. Las composiciones de precursores y de los procesos mecánicos utilizados durante el hilado pueden variar entre los fabricantes. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo. Después de embutición o hilatura en húmedo (a veces también se emplea la técnica de hilado fundido), las fibras de polímero se calientan para eliminar los átomos que no sean de carbono (carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Las fibras de carbono pueden ser sometidos a un tratamiento de mejorar las cualidades de manejo, luego son enrolladas en bobinas. Las bobinas se utilizan para suministrar a máquinas que producen hilos de fibra de carbono o tejido.
Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN en una atmósfera con aire (oxidación) a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. 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 a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad (77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²).

Aplicaciones
La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC). Las tercnicas utilizadas para materiales poliméricos son: moldeo manual (hand lay up), espreado (spray lay up), pultrusión, bobinado de hilo, compresión, BMC, SMC, SCRIMP, RTM, etc. Los materiales no poliméricos también se puede utilizar como matriz de las fibras de carbono. Debido a la formación de metal carburos metálicos y corrosión, el fibrocarbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica. El RCC (carbono-carbono reforzado) se compone de refuerzo de fibrocarbono con grafito, y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también tiene uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a la corrosión, y como un componente anti-estático.
La demanda global de materiales compuestos de fibra de carbono se valoró en aproximadamente EE.UU. $ 10,8 mil millones de dólares en 2009, el cual disminuyó 10.8% respecto al año anterior. Se espera que llegue en EE.UU. a 13,2 mil millones de dólares en 2012 y que aumente a 18,6 mil millones de dólares en EE.UU. en 2015 con una tasa de crecimiento anual del 7% o más. Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.
Caña de pescar telescópica

Notebook con carcaza de PRFC
Aspas de molinos de viento

Velero con casco de fibra de carbono (B60 Sloop)

Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado, que utiliza la fibra de carbono al máximo. Foto Boeing X-32


Fuentes:
www.interempresas.net
en.wikipedia.org
pslc.ws


58 comentarios:

  1. donde se puede conseguir la tela de fibra de carbono en bs As? Gracias!

    ResponderEliminar
  2. Has repetido alta resistencia en la parte de las características xd¡

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. No había reparado en la repetición. Gracias por avisar. Saludos

      Eliminar
  3. hola amigo nececito ayuda por cuestiones estudiantiles podrias contactarme viktorsolano@hotmail.com gracias

    ResponderEliminar
  4. Hola mi nombre es Pako Velázquez y quisiera fabricar un tubo de 8" de diámetro , 1/4 de espesor y 3.0 metros de largo con fibra de carbono
    Podrían asesorarme para fabricarlo ?
    Mi correo es pako610331@gmail.com gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Pako. Fíjate el siguiente video…
      https://www.youtube.com/watch?v=8_pjRzYwp6o
      Saludos

      Eliminar
  5. Me pueden orientar en donde me pueden cotizar maquinaria para la formación de piezas de fibra de carbono, con dimensiones de moldes como para una bicicleta

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Jaime. Deberías consultar en alguna matricería o centro de mecanizado cnc. De donde eres?
      Saludos

      Eliminar
  6. hola... me podrías recomendar un profesor de fibra de carbono en colombia? gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Cristian. No sabría recomendarte alguien entendido en el tema en Colombia.
      Saludos

      Eliminar
  7. super gentil y bien explicado. gracias

    ResponderEliminar
  8. Hola
    Buenas Noches.
    Sabrás tu , cuando ya esta fabricado una pieza "X" de fibra de carbono, tendrá una alguna velocidad acústica. Con esto para poder hacer pruebas de Ultrasonido., para verificar despegamientos entre intercapas. ( disbond).
    Que lugar me puedes recomendar ó a quien puedo consultar para saber. Para aclarar esta duda.
    Conoces tu alguna compañía que de cursos de "disbond" para fibra de carbono
    Gracias por la ayuda .
    amccordinadorinsp@aeromexico.com

    ResponderEliminar
  9. Hola
    Buenas Noches.
    Sabrás tu , cuando ya esta fabricado una pieza "X" de fibra de carbono, tendrá una alguna velocidad acústica. Con esto para poder hacer pruebas de Ultrasonido., para verificar despegamientos entre intercapas. ( disbond).
    Que lugar me puedes recomendar ó a quien puedo consultar para saber. Para aclarar esta duda.
    Conoces tu alguna compañía que de cursos de "disbond" para fibra de carbono
    Gracias por la ayuda .
    amccordinadorinsp@aeromexico.com

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Toño. Efectivamente, existen ensayos no destructivos para composites basados en ultrasonido para detectar delaminación, disbond y para medición de espesores.
      http://airlines.org/wp-content/uploads/2014/10/241300-Matt-C.pdf
      http://www.olympus-ims.com/en/applications/non-destructive-bond-testing-aircraft-composites/
      No sabría recomendarte cursos al respecto.
      Saludos

      Eliminar
  10. me podrias ayudar con referencias para citar la informacion del blog ... el autor....anticipo muchas gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Steveen. Las fuentes están al final del artículo. Las imágenes no recuerdo bien su origen.
      Saludos

      Eliminar
  11. Disculpa conoces algun proveedor que recomiendes que fabrique dispositivos de fibra de carbono para altas temperaturas sobre diseno?

    ResponderEliminar
  12. saludos, en mexico sabras de algun distribuidor de fibra de carbono para fabricacion de piezas,

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Irma. Puede ser Quintum, Epolyglas y Poliformas
      Saludos

      Eliminar
  13. muchas gracias por la información, esta muy completa, fue de mucha ayuda para la realización de mi proyecto, gracias saludos

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Marco. Me alegro de que te haya sido de utilidad el blog
      Saludos

      Eliminar
  14. Hola todos, voy a importar hilos de carbono de Rusia. Si alguien se interesa pueden escribirme en argonmex@hotmail.com
    Saludos, Vitaliy.

    ResponderEliminar
  15. Muy interesante la exposición.
    Entonces cuando se aumenta la temperatura, se van uniendo las cadenas adyacentes y esto nos da un plano de anillos, que es justamente la definición del grafeno ¿No es así?
    Y si no ¿cual es la diferencia con el grafeno?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Ulises. Bueno, la diferencia estaría en el ordenamiento de las láminas de átomos de carbono y su vinculación
      Saludos

      Eliminar
  16. Muy completo, pero, tengo una duda¿que es mas grueso, un nanotubo de carbono o una fibra de carbono'

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola. La fibra de carbono es más gruesa. Los nanotubos están en el orden del nanómetro. 1 micrómetro = 1000 nanómetros
      Saludos

      Eliminar
  17. Me podria decir si es cierto k la fibra de carbono usada en bicicletas tiene caducidad

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Pedro. No tanto la fibra de carbono, sino más bien la resina (generalmente epoxi) utilizada para su conformado, puede sufrir degradación. Principalmente por exposición a la luz UV. Es difícil establecer el tiempo que puede durar el material puesto que dependerá de múltiples factores como es la formulación de la resina (tipo y cantidad de estabilizantes) y de las condiciones de uso. Pero sí es cierto que el material va perdiendo propiedades mecánicas con el paso del tiempo. Es un proceso muy lento pero progresivo
      Saludos

      Eliminar
  18. Hola, sabrías responderme cual es la fórmula química de la fibra de carbono por favor?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola. La fibra de carbono es básicamente carbono (C) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. No hay una fórmula única para la fibra de carbono. Cada fibra individual tiene un peso molecular diferente porque cada fibra tiene un número diferente de átomos
      Saludos

      Eliminar
  19. Estimado Mariano,

    Estuve leyendo tu blog y me parecio muy interesante, estoy realizando mi tesis de grado y quería citar y referenciarte en mi bibliografía, sin embargo en tu perfil solo se muestra " Mariano", podrías indicarme tu nombre completo. Mi correo es gianfranco.ag91@gmail.com

    Saludos desde Perú

    Gianfranco Alegre Gago

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Saludos Gianfranco. Suerte con tu tesis
      Mariano Ojeda

      Eliminar
  20. Hola lei todo el articulo pero no vi nada que mencionara la aplicacion de la fibra de carbono en la construccion, como reforzamiento de estructuras.
    Saludos Cordiales Jose luis Olguin (olguinjl8@gmail.com)

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola José. La fibra de carbono se utiliza en muchas aplicaciones. El artículo menciona solo algunas a modo ilustrativo
      Saludos

      Eliminar
  21. Hola,muy buen articulo , me sirvió mucho, y quería saber que materiales específicamente se utilizan para la fabricación??, de ante mano muchas gracias...

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola. Me alegro de que te haya sido de utilidad. Existen diferentes métodos de obtención de fibra de carbono. Puedes buscar patentes como, por ejemplo…
      https://patents.justia.com/patent/9909235
      https://patents.google.com/patent/US4070446A/en
      Saludos

      Eliminar
  22. Buenas, he visto que los últimos comentarios son de 2018 y no sé si tendré la suerte de que me contestes, pero por si acaso te lanzo la pregunta.
    El caso es que estoy pensando en iniciarme en la fabricación de piezas de fibra de carbono. Nada profesional, si no algo para mi coche y tal.
    He visto esta página, donde se habla del tejido, la masilla o resina epoxi, etc: kitfibradecarbono.com/tela/ .
    Pero como también tiene algunos apartados más comerciales no sé si el contenido me valdrá. ¿Me recomendarías guiarme por ahí en principio?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola José. Sí, igualmente te recomendaría que consultés diferentes fuentes. También existen varios videos en youtube que te pueden ser útiles
      Saludos

      Eliminar
  23. Hola, busco urgentemente el tiempo de biodegradacion de la fibra de carbono, no encuentro ningún lugar que lo mencione, UD sabe?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola. No tengo noticias de que la fibra de carbono sea atacada por microorganismos. Pero no te podría asegurar que ninguna bacteria pueda descomponerla. Talvez alguna bacteria como la que degrada el petróleo. No conozco ningún estudio que se haya hecho sobre el tema

      Eliminar
  24. hola, Sabe de algun proveedor de fibras de carbono en Perù ?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. http://www.fibradecarbono.com.pe
      https://per.sika.com/es/soluciones-y-productos/mercados_sika/soluciones-reforzamiento-estructural/productos-reforzamiento/refuerzo-estructural/tejido-fibra-de-carbono.html
      Saludos

      Eliminar
  25. Usted sabe cuál es la cantidad de gases de efecto invernadero que se liberan a laminar la fibra de carbono?
    Gracias.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Talín. No dispongo de ese dato. Puede variar dependiendo de la resina de laminación utilizada. Comúnmente se utiliza epoxi, pero puede variar su composición emitiendo más o menos compuestos volátiles (VOC). Existen resinas que no liberan compuestos volátiles…
      http://polarindustries.net/

      Eliminar
  26. Buenas noches me podria informar en colombia donde puedo comprar la fibra de carbono gracias

    ResponderEliminar
  27. Buenas tardes: muy buen post. Quisiera consultar si sabe de normas sobre ensayos de torsión aplicadas a tubos de fibras de carbono.
    de antemano gracias.

    ResponderEliminar
  28. Dónde puedo encontrar en Colombia los materiales para hacer fibra de carbono, y las medidas, gracias muy buen Post.

    ResponderEliminar
  29. Buenas, este artículo es de los más completos que encontré sobre fibra de carbono, sinceramente. Me gustaría agregar algún punto sobre cursos de fibra de carbono, lo haría mucho más completo. Muchísimas gracias por tu post!!

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Gracias Alejandro. No conozco cursos específicos sobre fibra de carbono. Puede ser sobre materiales compuestos o como parte de cursos sobre polímeros. Existen varios dependiendo el país o región. No conozco todos estos cursos como para recomendarlos e incluirlos en el artículo
      Saludos

      Eliminar