¿Cómo se hace la fibra de carbono?

También llamada fibra de grafito o grafito de carbono, la fibra de carbono consiste en hebras muy finas del elemento carbono. Las fibras de carbono tienen una alta resistencia a la tracción y son muy fuertes para su tamaño. De hecho, la fibra de carbono podría ser el material más fuerte que existe..

Cada fibra tiene 5-10 micras de diámetro. Para dar una idea de lo pequeño que es, una micra (um) es 0.000039 pulgadas. Un hilo de seda de telaraña suele tener entre 3 y 8 micras..

Las fibras de carbono son dos veces más rígidas que el acero y cinco veces más resistentes que el acero (por unidad de peso). También son altamente resistentes químicamente y tienen tolerancia a altas temperaturas con baja expansión térmica..

Las fibras de carbono son importantes en materiales de ingeniería, aeroespaciales, vehículos de alto rendimiento, equipos deportivos e instrumentos musicales, por nombrar solo algunos de sus usos..

Materias primas

La fibra de carbono está hecha de polímeros orgánicos, que consisten en largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. La mayoría de las fibras de carbono (alrededor del 90 por ciento) están hechas del proceso de poliacrilonitrilo (PAN). Una pequeña cantidad (alrededor del 10 por ciento) se fabrica a partir de rayón o el proceso de brea de petróleo. Los gases, líquidos y otros materiales utilizados en el proceso de fabricación crean efectos específicos, cualidades y grados de fibra de carbono. La fibra de carbono de más alto grado con las mejores propiedades de módulo se utiliza en aplicaciones exigentes como la aeroespacial..

Los fabricantes de fibra de carbono difieren entre sí en las combinaciones de materias primas que utilizan. Por lo general, tratan sus formulaciones específicas como secretos comerciales.

Proceso de manufactura

En el proceso de fabricación, las materias primas, que se denominan precursores, se dibujan en largas hebras o fibras. Las fibras se tejen en tela o se combinan con otros materiales que están enrollados en filamentos o moldeados en las formas y tamaños deseados..

Normalmente hay cinco segmentos en la fabricación de fibras de carbono a partir del proceso PAN. Estos son:

1. Hilado. PAN mezclado con otros ingredientes y hilado en fibras, que se lavan y estiran.
2. Estabilizante Alteración química para estabilizar la unión..
3. Carbonizante Fibras estabilizadas calentadas a muy alta temperatura formando cristales de carbono fuertemente unidos.
4. Tratamiento de la superficie. La superficie de las fibras oxidadas para mejorar las propiedades de unión..
5. Dimensionamiento. Las fibras se recubren y se enrollan en bobinas, que se cargan en máquinas de hilar que tuercen las fibras en hilos de diferentes tamaños. En lugar de ser tejidas en telas, las fibras se pueden formar en compuestos. Para formar materiales compuestos, el calor, la presión o el vacío une las fibras con un polímero plástico..

Desafíos de fabricación

La fabricación de fibras de carbono conlleva una serie de desafíos, que incluyen:

• La necesidad de una recuperación y reparación más rentable.
• El proceso de tratamiento de la superficie debe ser cuidadosamente regulado para evitar la creación de hoyos que podrían resultar en fibras defectuosas..
• Se requiere un control estricto para garantizar una calidad constante.
• Problemas de salud y seguridad.
• Irritación de la piel
• Irritación respiratoria
• Arcos y cortocircuitos en equipos eléctricos debido a la fuerte electroconductividad de las fibras de carbono..

Futuro de la fibra de carbono

Debido a su alta resistencia a la tracción y su ligereza, muchos consideran que la fibra de carbono es el material de fabricación más importante de nuestra generación. La fibra de carbono puede desempeñar un papel cada vez más importante en áreas como:

• Energía: Aspas de molino de viento, almacenamiento de gas natural y transporte, celdas de combustible.
• Automóviles: Actualmente utilizada solo para vehículos de alto rendimiento, la tecnología de fibra de carbono se está moviendo hacia un uso más amplio. En diciembre de 2011, General Motors anunció que está trabajando en compuestos de fibra de carbono para la producción en masa de automóviles..
• Construcción: Hormigón prefabricado ligero, protección contra terremotos.
• Aeronave: Aviones de defensa y comerciales. Vehículos aéreos no tripulados.
• Exploración de aceite: Plataformas de perforación de aguas profundas, tuberías de perforación.
• Nanotubos de carbon: Materiales semiconductores, naves espaciales, sensores químicos y otros usos..

En 2015, la fibra de carbono tenía un tamaño de mercado de $ 2.25 mil millones. Las proyecciones hacen que el mercado se expanda a $ 31 mil millones para 2024. Para lograr esto, los costos deben reducirse y las nuevas aplicaciones deben enfocarse.