Fibra de carbono

La fibra de carbono es el término con el cual se hace referencia a un material compuesto de índole no metálico y de la clase de los poliméricos, constituido principalmente por carbono. En cuanto a la composición de la fibra de carbono, podemos decir que está formado por una matriz. A la misma se la conoce también con el nombre de fase dispersante, cuya finalidad es la de darle forma a la resina. Dicha pieza o resina contiene un refuerzo que está realizado mediante el empleo de fibras de carbono y cuya materia prima constitutiva es el polietilnitrilio.

Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligero como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero.

Composición:

La fibra de carbono está compuesta por muchos hilos de carbono en formas de hebras largas y delgadas de 0.005-0.010 mm de diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbón se enlazan en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelamente al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño. Varias miles de fibras de carbón son retorcidas juntas para formar un hilo, que puede ser usado por sí solo o como tejido de una tela. El hilo o tejido es combinado con un epóxido y se adhiere o moldea para dar forma a varios tipos de materiales compuestos.

Las fibras de carbón son diez veces más fuertes que el acero y ocho veces más que el aluminio, sin mencionar que la fibra de carbón es mucho más ligera que ambas, 5 y 1.5 veces respectivamente. Adicionalmente, sus propiedades de fatiga son superiores a todas las estructura metálicas y son uno de los materiales más resistentes a la corrosión disponibles, cuando se combinan con las resinas adecuadas.

Durante el proceso de fabricación son usados una variedad de gases y líquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra y conseguir efectos específicos. Otros materiales son diseñados para no reaccionar o para prevenir ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, la composición exacta de muchos de estos materiales de proceso son considerados secretos comerciales.

El proceso para hacer las fibras de carbón es parte químico y parte mecánico. El precursor es estirado en largos hilos o fibras y luego se calienta a temperaturas muy altas sin permitir que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no se puede quemar. En cambio, la temperatura alta hace que los átomos en la fibra vibren violentamente hasta

que la mayoría de los átomos no-carbonos sean expulsados. A este proceso se le denomina carbonización.

Para tener idea de la resistencia de este material compararla con el acero:

Característica FC Acero Módulo de resistencia a la tracción 3,5 1,3 Resistencia específica 2,0 0,17 Densidad 1,75 7,9

Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor.

Propiedades principales del carbono:

Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero. Elevado precio de producción. Resistencia a agentes externos. Gran capacidad de aislamiento térmico. Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se

utiliza matriz termoestable. Resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva su forma.

Kevlar

El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química Stephanie Kwolek, quien trabajaba para DuPont. La obtención de las fibras de Kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado. Finalmente, DuPont empezó a comercializarlo en 1972. Es muy resistente y su mecanización resulta muy difícil.

La ligereza y la resistencia a la rotura excepcional de estas poliaramidas hacen que sean empleadas en neumáticos, velas náuticas o en chalecos antibalas.

Síntesis

La síntesis de este polímero se lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio, a través de una polimerización por pasos a partir de la p-fenilendiamina y el dicloruro del ácido tereftálico o cloruro de tereftaloílo. La reacción se lleva a cabo a temperaturas bajas debido a su gran exotermicidad. Posteriormente el polímero se hace precipitar y se disuelve en ácido sulfúrico concentrado en el cual Kevlar (y otras

poliarilamidas) forma una solución cristalina que se emplea para precipitar o coagular las fibras a la vez que se estiran mediante un sistema de hilado.

En otras variantes de síntesis de poli(aril)amidas, otros autores emplean otros disolventes como la dimetilacetamida (DMAc).

La poli(arilamida) así obtenida (se trata de una aramida) tiene un alto grado de orientación molecular a la vez que ahí se dan un gran número de interacciones por puentes de hidrógeno entre los grupos amida. Por estas interacciones y este empaquetamiento, las fibras obtenidas presentan unas altas prestaciones.

Esencialmente hay dos tipos de fibras de Kevlar: Kevlar 29 y Kevlar 49.

El Kevlar 29 es la fibra tal y como se obtiene de su fabricación.Se usa típicamente como refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas, o para tejidos.

El Kevlar 49 se emplea cuando las fibras se van a embeber en una resina para formar un material compuesto. Las fibras de Kevlar 49 están tratadas superficialmente para favorecer la unión con la resina.

Propiedades mecánicas

Rigidez Resistencia Elongación a rotura Tenacidad Conductividad eléctrica baja Alta resistencia química Contracción termal baja Alta dureza Estabilidad dimensional excelente Alta resistencia al corte