Acerca de la resistencia de la fibra de carbono: lo que debe saber

Por su Propiedad única: alta resistencia. La fibra de carbono se convirtió en la primera opción para muchas industrias. Pero, ¿sabe qué tan fuerte es? Cuando busca el material adecuado para su proyecto o solución, ¿puede ver el secreto de la resistencia de la fibra de carbono? 

Lea esta guía para comprender los diferentes campos de aplicación de la información sobre la resistencia de la fibra de carbono. Vamos a analizarla.

1. yo¿Qué es la fibra de carbono?

La fibra de carbono se forma mediante la carbonización a alta temperatura de compuestos orgánicos de polímeros (pan, asfalto de petróleo o viscosa). Es un filamento de fibra de alta resistencia y alto módulo con un contenido de carbono de más de 90%. Estos hilos de fibra de cristal de carbono de alta resistencia se tejen en tela de fibra de carbono, que luego se preimpregna en resina epoxi, un polímero termoendurecible pegajoso. Luego, la tela se transforma en láminas, tubos o piezas de fibra de carbono, que son más firmes.

2. ¿Qué hace que la fibra de carbono sea tan resistente?

En primer lugar, depende principalmente de la estructura molecular única en forma de cadena de la fibra de carbono, que consta principalmente de átomos de carbono dispuestos en una estructura similar al grafito para formar una estructura cristalina hexagonal sólida. Los fuertes enlaces covalentes unen estos átomos de carbono para formar una gran cadena molecular. Esta disposición significa que la fibra de carbono en sí tiene una resistencia a la tracción y una rigidez extremadamente altas sin dejar de ser ligera. Sin embargo, cuando se impregna con matrices de polímeros térmicos como la resina epoxi, el material compuesto reforzado formado por curado a alta temperatura se lamina según diferentes ángulos y direcciones, lo que no solo mantiene la resistencia a la tracción de las fibras de carbono, sino que también mejora su fragilidad original, haciendo que la pieza compuesta sea resistente y logra el efecto de que 1 + 1 sea mayor que 2.

3. Medidas de resistencia de la fibra de carbono

La resistencia de la fibra de carbono es la fuerza máxima por unidad de área que una fibra de carbono puede soportar sin fracturarse ni deformarse elásticamente cuando se somete a procesos externos de tracción o compresión.

La resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad son dos indicadores clave de la resistencia de la fibra de carbono y se miden en megapascales (MPa) o gigapascales (GPa), respectivamente.

Resistencia a la tracción: La fibra de carbono puede resistir la rotura cuando se somete a una carga de tracción. La resistencia a la tracción de la fibra de carbono suele ser superior a 3500 MPa, lo que es entre 7 y 9 veces superior a la del acero.

Módulo de elasticidad: Se refiere a la relación entre el estrés y la deformación por unidad de área de la fibra de carbono cuando está sometida a una fuerza externa, donde la deformación es la cantidad de deformación producida por un objeto cuando está sometido a una fuerza externa y el estrés es la magnitud de la fuerza externa por unidad de área. 

El módulo de elasticidad es una medida de la capacidad de un material para resistir la deformación cuando se somete a fuerzas externas, lo que refleja la rigidez del material. El módulo de elasticidad de la fibra de carbono suele ser superior a 230 GPa, lo que significa que puede mantener su forma cuando se somete a fuerzas externas y tiene una excelente resistencia a la deformación.

4. Resistencia de la fibra de carbono en comparación con otros materiales.

La fibra de carbono es cinco veces más fuerte y dos veces más dura que el acero, pero solo tiene 1/4 de la densidad del acero, lo que la convierte en el material ideal para muchas necesidades de alta resistencia y peso ligero, con importantes ventajas de peso y resistencia.

A. ¿Es la fibra de carbono más fuerte que el aluminio?

La fibra de carbono tiene una resistencia a la tracción de unos 7.000 MPa, mientras que las aleaciones de aluminio suelen alcanzar los 700 MPa, lo que la hace entre 5 y 10 veces más resistente que el aluminio. El módulo de elasticidad de la fibra de carbono es de unos 200 a 350 GPa, en comparación con los 69 a 79 GPa de las aleaciones de aluminio, por lo que la fibra de carbono es entre 2 y 5 veces más rígida que el aluminio. En conjunto, la fibra de carbono es mucho más resistente que el aluminio.

B. ¿Es la fibra de carbono más fuerte que el acero? 

La baja densidad de la fibra de carbono hace que pese una quinta parte del acero, pero que sea entre siete y diez veces más resistente. Esto significa que, para la misma especificación de resistencia, la elección de la fibra de carbono puede reducir significativamente el peso de una estructura, lo que es especialmente importante para aplicaciones en las que se necesita ligereza. El alto módulo de la fibra de carbono también le permite tener un buen rendimiento cuando se la somete a cargas dinámicas continuas, lo que proporciona una resistencia superior a la fatiga.

C. ¿Es la fibra de carbono más fuerte que el titanio?

La alta anisotropía de las fibras de carbono les confiere una gran resistencia en direcciones específicas, lo que las hace más resistentes que el titanio. Y en términos de rigidez y densidad, la fibra de carbono también es superior al titanio.

5. Factores que afectan la resistencia de las fibras de carbono

A. Calidad y tipo de fibra de carbono: 

La calidad de cada fibra de carbono determina la calidad del material compuesto de fibra de carbono en su conjunto. Cuanto mayor sea el módulo, mayor será la resistencia de una fibra de carbono de alta calidad con una resistencia mayor.

B. Sistema de resina: 

La resina termoendurecible combinada con fibra de carbono hará que la fibra de carbono sea más fuerte, por lo que el tipo, la calidad, el contenido y las características de curado de la resina afectan directa o indirectamente la resistencia de la fibra de carbono compuesta, para tener diferentes resistencias de fibra de carbono, la elección de la resina es igualmente importante para usted.

C. Dirección de la fibra y diseño de laminado: 

La fibra de carbono se teje en tela de fibra de carbono a partir de estopas, los diferentes métodos de tejido también afectarán la resistencia de la fibra de carbono y el procesamiento posterior, y el compuesto preimpregnado de resina epoxi, las diferentes direcciones de laminado también harán que la resistencia sea diferente, puede elegir 0°/+-45°/+-90° y otras capas cruzadas para cambiar la resistencia de la fibra de carbono para lograr las propiedades del material que necesita. Puede elegir capas cruzadas de 0°/+-45°/+-90° para cambiar la resistencia de la fibra de carbono para lograr las propiedades del material deseadas.

D. Proceso de fabricación: 

Todos sabemos que el proceso de fabricación juega un papel decisivo en el rendimiento de los materiales compuestos, al fabricar materiales compuestos de fibra de carbono, puede controlar la calidad del preimpregnado, el tiempo de curado del compuesto, el control preciso de la temperatura, la aplicación de presión y los procesos asistidos por vacío, dominar la velocidad de enfriamiento para que la resistencia de los materiales de fibra de carbono se ajuste a las necesidades de su aplicación.

6. Aplicaciones que aprovechan la resistencia de las fibras de carbono.

Campo aeroespacial: En la aplicación de drones y aviones, la alta relación resistencia-peso de la fibra de carbono puede ofrecerle estructuras más ligeras con mayor rendimiento de seguridad y una mejor eficiencia de combustible.

Industria automotriz: Las piezas de fibra de carbono se utilizan principalmente en automóviles de alto rendimiento, su baja densidad hará que las piezas de su automóvil sean más livianas y su alta resistencia y rigidez harán que la forma del automóvil sea más robusta y mejorarán los estándares de seguridad.

Equipo para deportes al aire libre: Desde remos hasta bastones de trekking y bicicletas, la alta resistencia y baja densidad de la fibra de carbono le ha ayudado a mejorar y diseñar su equipamiento deportivo, permitiendo un mejor rendimiento y reduciendo la fatiga del usuario.

Industria médica:La alta resistencia y peso de la fibra de carbono y la inercia del metal han permitido su uso en una amplia gama de equipos médicos, como prótesis, equipos de escaneo de rayos X, sillas de ruedas y camas quirúrgicas.

7. Conclusión

Las propiedades superiores de la fibra de carbono proporcionan una combinación de alta resistencia a la tracción, alta rigidez y bajo peso que supera a la mayoría de los materiales tradicionales. Gracias a su capacidad de adaptarse a su aplicación específica, la fibra de carbono puede ser su primera opción, ya sea que se dedique a la industria aeroespacial, la fabricación de automóviles, los suministros médicos o cualquier otra industria que requiera un material de alto rendimiento.