Fibra de carbono (de Wikipedia, la enciclopedia libre)


Tela de fibra de carbono

Se denomina ‘fibra de carbono’ a un compuesto no metálico de tipo polimérico, integrado por una fase dispersante que da forma a la pieza que se quiere fabricar – normalmente alguna resina – y una fase dispersa – un refuerzo hecho de fibras, en este caso, de carbono y cuya materia prima es el poliacrilonitrilo.
Al igual que la fibra de vidrio, es un caso común de metonímia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo refuerzan.
Al tratarse de un material compuesto, en la mayoría de los casos -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.

Propiedades mecánicas

Si las propiedades eléctricas son, de por sí, sorprendentes, las propiedades mecánicas pueden llegarlo a ser aún más. La estabilidad y robustez de los enlaces, entre los átomos de carbono, les proporciona la capacidad de ser unas de las fibras más resistentes que se pueden fabricar hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en un régimen elástico. El módulo de Young de los nanotubos puede oscilar entre 1,3 y 1,8 terapascales. Además, estas propiedades mecánicas podrían mejorarse, por ejemplo en los SWNTs, uniendo varios nanotubos en haces, o cuerdas. De esta forma, aunque se rompiese un nanotubo, como se comportan como unidades independientes, la fractura no se propagaría a los otros colindantes. En otras términos, los nanotubos pueden funcionar como resortes extremadamente firmes ante pequeños esfuerzos y, frente a cargas mayores, pueden deformarse drásticamente y volver, posteriormente, a su forma original.
En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro.

Representación esquemática de un nanotubo de carbono

Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma.[1] Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Estos tubos conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando un canuto se denominan nanotubos monocapa. Existen, también, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas y, lógicamente, de grosores crecientes desde el centro a la periferia. Estos últimos son los nanotubos multicapa Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no están cerrados.
Están siendo estudiados activamente, como los fulerenos, por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Estructura y propiedades

Las propiedades principales de este material compuesto son:
• 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.
• Buenas propiedades ignífugas.
Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se debe a varios factores:
• El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 ºC- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez se ha obtenido la fibra.
• El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.
Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, dónde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca.

Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro,
comparado con un cabello humano

Cada filamento de carbono es la unión de muchos miles de filamentos de carbono. Un filamento es un fino tubo con un diámetro de 5–8 micrómetros y consiste mayoritariamente en carbono.
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono arreglados en un patrón regular hexagonal. La diferencia recae en la manera en que esas hojas se intercruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, dándoles al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las hojas de átomos de carbono están azarosamente foliadas, o apretadas, juntas. Esto integra a las hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando grandemente su resistencia.
La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es dieléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.
Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente hay disponible fibra coloreada.
Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad
• 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.

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