Fibra de carbono

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 a 0,00039 pulgadas) de diámetro y están compuestas principalmente de átomos de carbono. 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. 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. Sin embargo, son relativamente caras en comparación con fibras similares, como la fibra de vidrio, las fibras de basalto o las fibras plásticas.

Para producir una fibra de carbono, los átomos de carbono se unen 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 una estopa, que puede usarse sola o entretejirse en una tela.

Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Por ejemplo, cuando se impregna con una resina plástica y se hornea, forma 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 quebradizo. Las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como el grafito, para formar compuestos reforzados de carbono-carbono, que tienen una tolerancia al calor muy alta.

Historia

En 1860, Joseph Swan produjo fibras de carbono por primera vez, para su uso en bombillas. En 1879, Thomas Edison horneó hilos de algodón o astillas de bambú a altas temperaturas carbonizándolos en un filamento de fibra de carbono que se usó en una de las primeras bombillas incandescentes calentadas con electricidad. En 1880, Lewis Latimer desarrolló un filamento de alambre de carbono confiable para la bombilla de luz incandescente, calentada por electricidad.

En 1958, Roger Bacon creó fibras de carbono de alto rendimiento en el Centro Técnico Union Carbide Parma ubicado en las afueras de Cleveland, Ohio.Esas fibras se fabricaban calentando hebras de rayón hasta que se carbonizaban. Este proceso demostró ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían solo un 20% de carbono. A principios de la década de 1960, el Dr. Akio Shindo, de la Agencia de Ciencia y Tecnología Industrial de Japón, desarrolló un proceso 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 usarse como refuerzo para materiales compuestos que tienen propiedades de alta resistencia al peso y para aplicaciones resistentes a altas temperaturas.

La fuerza de alto potencial de la fibra de carbono se realizó 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 autorizado por la Corporación Nacional Británica de Desarrollo de la Investigación a tres empresas: Rolls-Royce, que ya fabricaba fibra de carbono; morganita; y Courtaulds. En unos pocos años, después del uso exitoso en 1968 de un ensamblaje de ventilador de fibra de carbono Hyfil en los motores a reacción Rolls-Royce Conway del Vickers VC10,Rolls-Royce aprovechó las propiedades del nuevo material para irrumpir en el mercado estadounidense con su motor aeronáutico RB-211 con álabes de compresor de fibra de carbono. Desafortunadamente, las palas resultaron vulnerables al daño por impacto de aves. Este problema y otros causaron tales reveses a Rolls-Royce que la empresa fue nacionalizada en 1971. La planta de producción de fibra de carbono se vendió para formar Bristol Composite Materials Engineering Ltd (a menudo denominada Bristol Composites).

A fines de la década de 1960, 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 Toray Industries de Japón. Morganite decidió que la producción de fibra de carbono era secundaria a su negocio principal, dejando a Courtaulds como el único gran fabricante del Reino Unido. El proceso inorgánico a base de agua de Courtelle hizo que el producto fuera susceptible a impurezas que no afectaron el proceso orgánico utilizado por otros fabricantes de fibra de carbono, lo que llevó a Courtaulds a dejar de producir 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 una 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 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 fines de la década de 1970, ingresaron al mercado global más tipos de hilo de fibra de carbono, que ofrecen una mayor resistencia a la tracción y un mayor módulo elástico. Por ejemplo, T400 de Toray con una resistencia a la tracción de 4000 MPa y M40, un módulo de 400 GPa. Se desarrollaron fibras de carbono intermedias, como la IM 600 de Toho Rayon con hasta 6.000 MPa. Fibras de carbono de Toray, Celanese y Akzo encontraron su camino hacia la aplicación aeroespacial desde las piezas secundarias hasta las primarias, primero en aviones militares y luego en aviones civiles como McDonnell Douglas, Boeing, Airbus y United Aircraft Corporation. En 1988, el Dr. Jacob Lahijani inventó un módulo de Young equilibrado ultraalto (superior a 100 Mpsi) y fibra de carbono de alta resistencia a la tracción (superior a 500 kpsi) que se utiliza ampliamente en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. En marzo de 2006, la patente fue asignada a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee. módulo de S (superior a 100 Mpsi) y fibra de carbono de paso de alta resistencia a la tracción (superior a 500 kpsi) ampliamente utilizados en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. En marzo de 2006, la patente fue asignada a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee. módulo de S (superior a 100 Mpsi) y fibra de carbono de paso de alta resistencia a la tracción (superior a 500 kpsi) ampliamente utilizados en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. En marzo de 2006, la patente fue asignada a la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee.

Estructura y propiedades

La fibra de carbono se suministra con frecuencia en forma de estopa continua enrollada en un carrete. El cable es un haz de miles de filamentos de carbono individuales continuos unidos y protegidos por un recubrimiento orgánico, o tamaño, como el óxido de polietileno (PEO) o el alcohol polivinílico (PVA). El cable se puede desenrollar convenientemente del carrete para su uso. Cada filamento de carbono del cable es un cilindro continuo con un diámetro de 5 a 10 micrómetros y consiste casi exclusivamente en carbono. La primera generación (p. ej., T300, HTA y AS4) tenía diámetros de 16 a 22 micrómetros. Las fibras posteriores (por ejemplo, IM6 o IM600) tienen diámetros de aproximadamente 5 micrómetros.

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consta de láminas de átomos de carbono dispuestas en un patrón hexagonal regular (láminas de grafeno), la diferencia radica en la forma en 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 turboestrática o grafítica, o tener una estructura híbrida con partes grafíticas y turboestráticas presentes. En la fibra de carbono turboestrática, las láminas de átomos de carbono se pliegan o se arrugan al azar. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turboestráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200 °C. Las fibras de carbono turboestráticas tienden a tener una alta resistencia última a la tracción, mientras que las fibras de carbono derivadas de brea de mesofase tratadas térmicamente tienen un módulo de Young alto (es decir, alta rigidez o resistencia a la extensión bajo carga) y alta conductividad térmica.

Aplicaciones

En 2012, la demanda mundial estimada del mercado de fibra de carbono fue de $1700 millones con un crecimiento anual estimado del 10 % al 12 % de 2012 a 2018. La demanda más fuerte de fibra de carbono proviene de la industria aeronáutica y aeroespacial, la energía eólica y la industria automotriz con tecnología optimizada. sistemas de resina

La fibra de carbono puede tener un costo más alto que otros materiales, lo que ha sido uno de los factores limitantes de la 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, esta prima de costo se ha reducido durante la última década desde las estimaciones de 35 veces más caro que el acero a principios de la década de 2000.

Materiales compuestos

La fibra de carbono se usa principalmente para reforzar materiales compuestos, particularmente 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 las aplicaciones de compuestos de matriz metálica. Carbono-carbono reforzado (RCC) consiste en grafito reforzado con fibra de carbono y se usa estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también encuentra uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo con área de superficie alta e impecable resistencia a la corrosión, y como componente antiestático. El moldeado de una capa delgada de fibras de carbono mejora significativamente la resistencia al fuego de los polímeros o compuestos termoestables debido a que una capa densa y

El uso cada vez mayor de compuestos de fibra de carbono está desplazando al aluminio de las aplicaciones aeroespaciales a favor de otros metales debido a problemas de corrosión galvánica.

La fibra de carbono se puede utilizar como aditivo del asfalto para hacer hormigón asfáltico conductor de electricidad. El uso de este material compuesto en la infraestructura de transporte, especialmente para el pavimento de los aeropuertos, disminuye algunos problemas de mantenimiento invernal que conducen a la cancelación o retraso de vuelos debido a la presencia de hielo y nieve. Al pasar la corriente a través de la red 3D de material compuesto de fibras de carbono, se disipa la energía térmica que aumenta la temperatura de la superficie del asfalto, que puede derretir el hielo y la nieve por encima.

Textiles

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 preimpregnado, bobinado de filamentos, pultrusión, tejido, trenzado, etc. El hilo de fibra de carbono se clasifica según la densidad lineal (peso por unidad de longitud; es decir, 1 g/1000 m = 1 tex) o por número de filamentos por fin 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 usar para tejer una tela o tela de filamento de fibra de carbono. La apariencia de este tejido generalmente depende de la densidad lineal del hilo y del tejido elegido. Algunos tipos de tejido comúnmente utilizados son la sarga, el satén y el liso. Los hilos de filamentos de carbono también se pueden tejer o trenzar.

Microelectrodos

Las fibras de carbono se utilizan para la fabricación de microelectrodos de fibra de carbono. En esta aplicación, normalmente se sella una sola fibra de carbono con un diámetro de 5 a 7 μm en un capilar de vidrio. En la punta, el capilar se sella con epoxi y se pule para hacer un microelectrodo de disco de fibra de carbono o la fibra se corta 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 señales bioquímicas.

Calefacción flexible

A pesar de ser conocidas por su conductividad eléctrica, las fibras de carbono solo pueden transportar corrientes muy bajas por sí mismas. Cuando se tejen en telas más grandes, se pueden usar para proporcionar calefacción (infrarroja) de manera confiable en aplicaciones que requieren elementos calefactores eléctricos flexibles y pueden soportar fácilmente temperaturas superiores a 100 °C. Muchos ejemplos de este tipo de aplicación se pueden ver en prendas de vestir y mantas calentadas por bricolaje. 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 aumentarán la producción de calor y pueden provocar un incendio.

Síntesis

Cada filamento de carbono se produce a partir de un polímero como poliacrilonitrilo (PAN), rayón o brea de petróleo. Todos estos polímeros son conocidos como precursores. Para los polímeros sintéticos como el PAN o el rayón, el precursor primero se hila en hilos de filamentos mediante procesos químicos y mecánicos para alinear inicialmente las moléculas del polímero de manera que mejoren las propiedades físicas finales de la fibra de carbono completa. Las composiciones de precursores y los procesos mecánicos utilizados durante la hilatura de hilos de filamentos pueden variar entre los fabricantes. Después del estirado o hilado, los hilos de filamentos de polímero se calientan para expulsar los átomos que no son de carbono (carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Los hilos de filamentos de fibras de carbono pueden tratarse adicionalmente para mejorar las cualidades de manejo y luego enrollarse en bobinas.

Un método común de fabricación consiste en calentar los filamentos PAN hilados a aproximadamente 300 °C en el 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 del enlace molecular. Cuando se calientan en las condiciones correctas, estas cadenas se unen de lado a lado (polímeros en escalera), formando láminas de grafeno estrechas que eventualmente se fusionan para formar un solo filamento columnar. El resultado suele ser 93-95% de carbono. La fibra de menor calidad se puede fabricar utilizando brea o rayón como precursor en lugar de PAN. El carbono puede mejorarse aún más, como carbono de alto módulo o de alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. MPa, o 820 000 psi), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 a 3000 °C (grafitización) exhibe un mayor módulo de elasticidad (531 GPa, o 77 000 000 psi).