La fibra de carbono es uno de esos materiales que siempre ha estado relacionado con aplicaciones de vanguardia, sin embargo, no dejamos de oír hablar de ella últimamente. Pero ¿qué es la fibra de carbono?
Como su nombre indica, la fibra de carbono es un material compuesto de al menos un 92% de carbono, cuya estructura puede ser cristalina, amorfa o parcialmente cristalina. La forma cristalina es idéntica a la estructura del grafito, átomos de carbono dispuestos en láminas con un patrón hexagonal regular.
Es bien sabido que el grafito es un material muy blando. Esto se debe a que el enlace entre las capas atómicas de carbono con esta estructura es débil y se deslizan fácilmente entre ellas. Por el contrario, tienen un alto módulo de elasticidad en una dirección paralela al plano de enlace, mostrando una gran anisotropía del material.
Aprovechando esta característica, el alto módulo de la fibra de carbono radica en que las capas de carbono tienden a estar paralelas al eje de la fibra o, dicho de otro modo, existe una orientación cristalográfica preferente conocida como la textura de la fibra.
Cuanto mayor sea la textura, mayor será la densidad, el contenido de carbono, el módulo elástico de la fibra, la conductividad eléctrica y térmica paralela al eje de la fibra y menor el coeficiente de expansión térmica y la resistencia al cizallamiento interno.
La proporción de grafito en una fibra de carbono puede variar de 0 a 100%. Así que en la misma fibra de carbono podemos encontrar estructuras tanto cristalinas como amorfas. Los enlaces de esta última son más fuertes, por lo que la resistencia mejorará, aportando las excelentes propiedades mecánicas que conocemos de la fibra de carbono.
Obtención de la fibra de carbono
Alrededor del 90% de la fibra de carbono utilizada se produce a partir de un precursor de poliacrilonitrilo (PAN), el resto de rayón o brea de petróleo. Estos precursores sufren transformaciones químico-mecánicas hasta obtener el producto final como fibra de carbono.
Una fase importante es la carbonización, en la que las fibras se calientan en una atmósfera inerte a una temperatura de aproximadamente 1500 – 2500 ºC durante varios minutos con el fin de eliminar los átomos no carbonosos.
Después de esta fase, se aplica un tratamiento superficial en el que la superficie se oxida ligeramente con el fin de mejorar las propiedades de adhesión. Además, se puede añadir un proceso de grafitización intermedio en el que el producto se calienta por encima de 2000 ºC para aumentar el tamaño del grano y aumentar significativamente el módulo elástico, volviendo las fibras más frágiles. Por lo tanto, podemos diferenciar entre fibras de alto módulo (HM) que aportan mayor rigidez o fibras de alta resistencia (HT) capaces de absorber una mayor cantidad de energía.
Propiedades de la fibra de carbono
Al variar los precursores, los porcentajes en composición y otros parámetros de producción, se obtendrán fibras de carbono con ciertas características.
Sin embargo, las propiedades de la fibra de carbono se pueden resumir generalmente como:
-Alta resistencia específica
-Alta rigidez específica
-Ligereza
-Alta resistencia al impacto
-Buena resistencia al desgaste
-Estabilidad dimensional, expansión térmica cercana a cero
-Conductividad eléctrica, puede producir corrosión galvánica
-Amplia variedad de formatos de fibra de carbono
-Densidad: 1800 Kg/m3
La principal ventaja que se observa frente a los materiales convencionales, como el acero o el aluminio, son las altas propiedades específicas. Es decir, la relación entre resistencia y rigidez y el peso del componente, pudiendo encontrar fibras de carbono hasta 4 veces superiores en resistencia específica que los aceros convencionales.
Otros beneficios de la fibra de carbono son la flexibilidad que nos da en el diseño de componentes, así como la optimización del material debido a la mencionada anisotropía o diferente comportamiento en función de la dirección.
Aplicaciones de la fibra de carbono
Debido a los procesos necesarios para obtener productos finales de fibra de carbono, el coste es elevado. Sin embargo, la estandarización de estos procesos está permitiendo una reducción de precios, posibilitando usos más diversos y cotidianos. Desde que la fibra de carbono comenzó a producirse en 1963 para la construcción de aeronaves del Ministerio de Defensa del Reino Unido, las aplicaciones en aeronáutica y automoción de alto rendimiento han sido constantes y crecientes.
En la actualidad, la fibra de carbono es un material moderadamente accesible, utilizado en diversas aplicaciones como refuerzo de matrices poliméricas (FRP). Algunos sectores son aeroespacial, naval, ferroviario, biomédico, defensa, automoción, construcción, deportes y electrónica.
Es común encontrar bicicletas, cascos protectores o incluso palas de pádel de fibra de carbono.
