Material de fibra de carbono: la guía definitiva para principiantes y expertos

La fibra de carbono se utiliza ampliamente debido a sus propiedades superiores. Sin embargo, muchas personas tienen un conocimiento limitado de este material de alto rendimiento. Esta guía analizará a fondo la fibra de carbono: su historia, propiedades, ventajas y desventajas, procesos de producción y aplicaciones. Está diseñada para ayudarle a comprender mejor la fibra de carbono y optimizar sus proyectos e industria.

1. ¿Qué es la fibra de carbono?

La fibra de carbono, también llamada fibra de grafito, es una fibra de alto rendimiento que contiene más de 90% de carbono. Es una estructura fibrosa compuesta por filamentos alargados de cristales de carbono. Está formada por finos haces de fibras hechos de polímeros precursores (como PAN, rayón o asfalto de petróleo) que se oxidan a bajas temperaturas y se carbonizan a altas temperaturas.

2. La historia de la fibra de carbono

La fibra de carbono existe desde hace más de 150 años, desde su invención por Joseph Swan en 1860. Tras aproximadamente un siglo de desarrollo, en 1960, HI Thompson Fiberglas Company inventó un nuevo proceso que mejoró y optimizó gradualmente las propiedades de los materiales de fibra de carbono. Desde el siglo XXI, la fibra de carbono se ha utilizado cada vez más en diversos campos de la alta tecnología por su excelente relación resistencia-peso y su resistencia a altas temperaturas.

3. ¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?

Aunque ha transcurrido un siglo y medio desde la invención de la fibra de carbono, la mayoría de la gente aún desconoce su proceso de producción. Debido a sus secretos comerciales fundamentales, muchos fabricantes mantienen el proceso de fabricación en secreto. Le ofreceremos una descripción detallada del proceso de producción de la fibra de carbono. Esto le proporcionará orientación técnica y apoyo para aprovecharlo al máximo.

Dado que las fibras de carbono suelen utilizarse para fabricar compuestos para una amplia gama de aplicaciones, su proceso de producción generalmente se divide en dos partes:

Preparación de filamentos crudos: implica procesos físicos y químicos complejos.

• Preparación de precursores – Hilado: Los polímeros precursores como el PAN, el rayón o el asfalto se hilan para formar fibras de carbono con forma de filamento.
• Oxidación y estabilización: Los filamentos se calientan en un ambiente estable con oxígeno a una temperatura de entre 300 y 500 °C. Esto destruye los átomos de hidrógeno y aumenta la estabilidad de los átomos de oxígeno.
• Carbonización:  Las fibras de carbono oxidadas se carbonizan aún más a altas temperaturas (aproximadamente 2000 °C) en una atmósfera de gas inerte. Esto aumenta aún más su resistencia.
• Acabado superficial: Las fibras de carbono carbonizadas tienen una superficie muy lisa. Para una mejor adhesión con resinas epoxi u otras, es necesario activarlas.
• Dimensionado y bobinado: La superficie del filamento de fibra de carbono es muy frágil, por lo que se recubre con resina para proteger su superficie y finalmente se enrolla en un carrete para su posterior procesamiento.

Fabricación de compuestos de fibra de carbono:

• Preimpregnación: El tejido o cable de fibra de carbono debe estar preimpregnado con resina epoxi, un material termoendurecible, para garantizar que la resina se filtre en los espacios del cable de fibra.
• Conformado a alta temperatura: La tela de fibra de carbono preimpregnada debe pasar por un proceso de conformación por pultrusión, envoltura, conformación por bobinado de filamentos, conformación en lata con prensa en caliente, conformación por envasado al vacío/RTM, conformación a presión y conformación en horno.

Finalmente se puede hacer:

• Placas, paneles y tableros de fibra de carbono
• Tubo de fibra de carbono
• Varillas de fibra de carbono
• Piezas, componentes y perfiles de fibra de carbono: como tubos octogonales, tubos hexagonales, piezas de drones, piezas de automóviles, cuadros de bicicletas y tubos de diversas formas.

4. Ventajas y desventajas

Una comprensión completa de las ventajas y desventajas de la fibra de carbono puede ayudarlo a evitar mejor los riesgos en el desarrollo, diseño, producción, etc. del producto y mejorar el rendimiento de su producto.

Ventajas

• Baja densidad: Su densidad es de aproximadamente 1,5-1,8g/cm³, solo 1/3 del aluminio, por lo que su peso es mucho menor que el de otros metales.
• Alta resistencia y rigidez: Puede soportar cargas externas de tracción y extrusión sin deformarse ni doblarse.
• Resistencia química: La fibra de carbono puede permanecer estable y no corrosiva en múltiples entornos ácidos y alcalinos, y es adecuada para diversos entornos húmedos y hostiles.
• Resistencia a la fatiga: La fibra de carbono puede soportar cargas de tensión cíclicas recíprocas sin deformarse ni degradarse significativamente el rendimiento.
• Resistencia a altas temperaturas: Estable en entornos de hasta 2000℃.
• Baja expansión térmica: Los estudios han demostrado que es dimensionalmente estable a temperaturas extremadamente bajas y altas.

Las ventajas de la fibra de carbono son incuestionables, pero también tiene muchas desventajas que limitan su desarrollo posterior.

• Alto costo: Debido al alto costo de la materia prima, la complejidad del proceso de producción y el alto consumo de energía, el tejido de fibra de carbono también es caro.
• Dificultad del reciclaje: La falta de tecnología y equipos de reciclaje avanzados dificulta el reciclaje de la fibra de carbono. Además, la fibra de carbono reciclada no alcanza la resistencia de la anterior.
• Dificultades de procesamiento: La fibra de carbono requiere dos procesos: la producción de seda cruda y la producción de material compuesto, cada uno de los cuales es muy difícil y exigente.

5. Tipos de fibra de carbono

La fibra de carbono se presenta en diversas variedades y sus estándares de clasificación son multidimensionales. Puede elegir los productos de fibra de carbono adecuados según las necesidades de su industria y proyecto.

Basado en material de filamento crudo:

• Fibra de carbono basada en PAN: Este es el tipo más común, carbonizado a partir de PAN.
• Fibra de carbono a base de asfalto: Carbonizado a partir de precursores de asfalto de petróleo o de alquitrán de hulla.
• Fibra de carbono a base de rayón: Fabricado con rayón (fibra de viscosa).

Módulo de tracción basado en el rendimiento:

• Módulo elástico estándar de fibra de carbono (HS): Módulo elástico 240-300 GPa, resistencia a la tracción estimada al menos 2.500 MPa o superior.
• Fibra de carbono de módulo intermedio (IM): Módulo elástico 300-350 GPa, resistencia a la tracción igual o superior a 3.500 MPa.
• Fibra de carbono de alto módulo (HM): Módulo elástico 350-500 GPa, resistencia a la tracción al menos 2.500 MPa.
• Fibra de carbono de módulo ultra alto (UHM): Módulo elástico >500 GPa, resistencia a la tracción 2.500 MPa o superior.

Por forma de fibra:

• Filamento continuo de fibra de carbono: Generalmente existe en forma de hilo o tela y se utiliza para aplicaciones de materiales compuestos.
• Fibra de carbono picada: Generalmente de unos pocos milímetros o centímetros de longitud, se utiliza para moldeo o moldeo por inyección.
• Estera de fibra de carbono: Hecho de fibras cortas dispuestas aleatoriamente, generalmente en estado no tejido.

Tejidos de fibra de carbono según el tipo de tejido:

• Tejido de sarga: Presenta un patrón diagonal y tiene mejores propiedades de drapeado.
• Tejido liso: Un método de tejido simple con urdimbre y trama entrelazadas, patrón de tablero de ajedrez, buena estabilidad y fácil de manejar.

Tejido de satén: Superficie lisa, brillante, adecuada para superficies curvas complejas.

6. Múltiples aplicaciones del material de fibra de carbono

La fibra de carbono, como material compuesto avanzado de alta calidad, con su excelente rendimiento único y su creciente demanda en el mercado, está ampliando su gama de aplicaciones en diversos campos, desde la alta tecnología hasta la vida cotidiana. Nuestra guía de aplicaciones de fibra de carbono puede proporcionar nuevas direcciones de exploración para su equipo de I+D y ayudarlo a comprender y satisfacer mejor las demandas de los clientes de productos de fibra de carbono livianos y de alta resistencia.

• Aeroespacial: Como cuerpos y hélices de vehículos aéreos no tripulados, componentes estructurales de naves espaciales y sistemas de protección térmica.
• Automotor: Piezas de automóviles como paneles de carrocería y chasis, ejes de transmisión y sistemas de suspensión.
• Dispositivos médicos: Soportes y camas para aparatos de rayos X, prótesis y órtesis
• Equipamiento deportivo para exteriores: Componentes de bicicletas, bastones de trekking, bastones de esquí, remos
• Equipos industriales: Como brazos robóticos, piezas de robot y trípodes para topografía y fotografía.

7. Conclusión

Las características únicas de ligereza y alta resistencia de la fibra de carbono la hacen útil en los campos aeroespacial, de fabricación de automóviles, de equipos médicos y otros, a pesar del alto costo, las dificultades del proceso de producción y otras limitaciones, pero ha estado en una variedad de campos de alta tecnología para ocupar un lugar, por lo tanto, elegir materiales de fibra de carbono como su proyecto o campo, mejorará en gran medida el rendimiento de sus productos.

Preguntas frecuentes:

1.¿La fibra de carbono se oxida?
Debido a que está compuesta principalmente de carbono y no contiene metales ni otros elementos propensos a oxidarse, la fibra de carbono no se oxida fácilmente y tiene una excelente resistencia a la corrosión.

2. ¿La fibra de carbono es un material compuesto?
La fibra de carbono es un material único, no un compuesto. Sin embargo, normalmente se combina con polímeros termoendurecibles (como la resina epoxi) para fabricar materiales compuestos.

3. ¿Qué es el compuesto de fibra de carbono?
Los compuestos de fibra de carbono, también conocidos como polímeros reforzados con fibra de carbono, son materiales compuestos reforzados de alta resistencia formados mediante el procesamiento de un sustrato de fibra de carbono y polímeros termoplásticos (como resina epoxi) a altas temperaturas.

4. ¿Cuáles son las prestaciones potenciales de los compuestos de fibra de carbono?
Los materiales CFRP se destacan entre muchos otros debido a su excelente relación resistencia-peso, alta resistencia a la tracción y rigidez, y resistencia a altas temperaturas y corrosión.

5. ¿Cuál es el proceso de fabricación de los compuestos de fibra de carbono?
Los métodos de fabricación de compuestos de fibra de carbono incluyen preimpregnado, moldeo por transferencia de resina, envasado al vacío, moldeo por compresión, pultrusión y bobinado de filamentos.

Más recursos

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers –Recurso de Wikipedia

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/carbon-fiber –Recurso de Sicencedirect