INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALTILLO.

MATERIALES COMPUESTOS.

FIBRAS DE CARBONO.

DANTE ITURIEL OJEDA LEOSHECTOR MARIO COLIN JARAMILLO JONATHAN SANCHEZ GUTIERREZ

SERGIO EDWIN JIMENEZ VILLARREAL

04 de marzo de 2014

FIBRA DE CARBONO.• La fibra de carbono es un material compuesto, no metálico de tipo polimérico,

formado por fibras de 50-10 micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Varios miles de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela.

• Las fibras de carbono se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Básicamente se combina un tejido de hilos de carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material.

• Las fibras de carbono (FC), son solidos que presentan una morfología fibrosa en forma de filamentos, o una trenza de estos, y con un contenido mínimo en carbono del 92% en peso.

• Sus principales características son su elevada resistencia mecánica, y su peso ligero (baja densidad).

• Este polímero es obtenido a partir de otro polímero llamado poliacrilonitrilo (PAN), el cual consiste en hebras muy finas de carbono (tan delgadas como el cabello humano) que son trenzadas, las cuales se tuercen y se agrupan continuamente para la formación de un hilo de varias hebras, se coloca sobre un molde y encima se le vierte una resina o plástico para pegar estos hilos tejidos y darles forma a sus diversas aplicaciones.

• Un solo filamento tiene un diámetro de 50 a 10 micras de diámetro, menos de lo que mide un cabello humano.

Historia. Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se deben a Edison, el cual preparo fibras por carbonización de filamentos de fibras de bambú (celulosa) y fueron utilizadas en la preparación de filamentos para lámparas incandescentes. En 1958, Roger Bacon investigador de Unión Carbide creó fibras de alto rendimiento de carbono. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos.

El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso que fue patentado, y luego autorizado a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds.En 1966 se consiguió obtener fibras de carbono de alto modulo y tensión de ruptura a partir de fibras de PAN (Poliacrilonitrilo). En esta época también se desarrollaron fibras de carbono obtenidas a partir de breas de carbón y petróleo, y de resinas fenólicas, sin embargo estas fibras presentaban propiedades mecánicas inferiores.

En 1981. McLaren presenta el primer coche de formula 1 construido con fibra de carbono.En 1991. Ultimo gran fabricante británico de fibra de carbono, Courtaulds, finaliza la producción. En la década de los 80 se prepararon fibras de carbono a partir de breas de ultra-alto modulo elástico para su utilización en un número limitado de aplicaciones que requieren fibras de muy altas prestaciones.Y en 2007. Boeing presenta el Dreamliner – el primer avión principalmente construido con materiales compuestos.

Proceso de fabricación; Síntesis de la fibra (refuerzo).

En síntesis, la fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno, nitrógeno y otros elementos diferentes al carbono de la fibra precursora, dejando solo el carbono en el material. A continuación se detallan los pasos del proceso

El 1º paso es estirar las fibras de PAN y darles la orientación molecular requerida para que puedan tener estabilidad dimensional y de esta manera evitar que se fundan en el siguiente proceso. En el 2º paso, se oxida el polímero a 200-300 ºC en aire, un proceso que añade oxígeno a la molécula de PAN y crea la estructura hexagonal. El polímero que antes era blanco, ahora es negro.

3º  paso:  Carbonización. una vez que las fibras han adquirido estabilidad, son sometidas a temperaturas superiores a los 1.000ºC bajo una atmósfera inerte. Durante este periodo de calentamiento los átomos de nitrógeno e hidrógeno desaparecen y los anillos hexagonales de carbono puro se orientan a lo largo de toda la longitud del hilo. (fibras de resistencia media)

Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al mismo tratamiento térmico de carbonización pero ahora el PAN se calienta a 2000-2500 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadísimas, bidimensionales con una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2.

4º  paso.  Grafitización: es un nuevo tratamiento de calentamiento a temperaturas, por encima de 2000ºC, el tamaño de los cristales de carbono aumenta y mejora la orientación de los anillos en la fibra. Si calentamos el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531.000 N/mm2.

Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado.

5º  Tratamiento  de  superficie:  finalmente, la fibra pasa a través de una cámara donde se le aplica un producto catalizador que promueve la adhesión de la fibra a la resina. Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en un molde.

Hasta este punto se obtiene el producto primario: filamentos individuales de carbono, también llamados mechas, con un diámetro que oscila entre 5 y 8 micras (µm), que son trenzados entre sí en grupos de 5.000 y 12.000 mechas y otros de 120.000 a 400.000 filamentos, estos hilos se venden en el mercado en forma rollos de 50 y 100 metros de fibra.

Una vez se tienen los filamentos o hilos de (FC), estos son entretejidos para conformar una malla o tela de carbono, la cual finalmente, se usa para la obtención de las láminas de fibra de carbono, al ubicarla perfectamente en un molde e impregnarla con la resina y el catalizador.

Hay diferentes procesos para la impregnación, industrialmente se utiliza la transferencia, inyección e infusión, pero también hay quienes hacen el trabajo de forma manual, con brochas, espátulas o pistola.

• En  el  método  por  transferencia  de  resina  (RTM); Se genera vacío en un molde cerrado y precalentado, con el tejido de carbono seco en su interior, para, a continuación transferir la resina a presión hasta llenar el molde. De forma similar, se hace en el sistema por inyección, con la variante que puede utilizarse tanto en moldes cerrados como abiertos y con bolsa de vacío.

• Por  su  parte,  en  la  infusión  (RTI);  La resina en forma de película semidura, se coloca en el molde al mismo tiempo que el tejido seco. Al aplicar calor y presión la resina se difunde por la fibra, hasta impregnarla completamente. Este proceso puede realizarse en un horno autoclave.

• El mercado ofrece también rollos de cinta del material previamente impregnado (prepreg), que en su mayoría debe ser curado en hornos a temperaturas que varían entre 160ºC y 300ºC por un tiempo de entre 8 a 16 horas.

• Las fibras ofrecen sus mejores propiedades cuando se entretejen en la dirección de las tensiones, es decir, que en un caso ideal deberían alinearse las direcciones de las fibras con la dirección de la fuerza exterior.

• Por esta razón, una pequeña pieza puede soportar el impacto de muchas toneladas y deformarse mínimamente.

Prepeg de tejido híbrido de carbono y aramida / resina epoxi

• Fabricación del Material Compuesto, Resina epoxi (matriz).

El segundo componente básico de la fibra de carbono es la resina. La más utilizada es la resina epoxi, el diglicidileter de bisfenol, cuya dureza supera a la de otras como las de poliéster y viniléster, por ello puede desempeñarse a temperaturas muy altas, más de 180ºC, tiene buena adherencia a muchos sustratos, baja concentración durante la polimerización y es especialmente resistente a los ataques de la corrosión y agentes químicos.La función de la matriz en el material compuesto, además de protegerlas contra las condiciones ambientales o agentes mecánicos que pudieran dañarlas, es permitir la transferencia de tensiones entre ellas, en esfuerzos de tracción y soportarlas, para evitar su pandeo.

• Estructura y propiedades.

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles (fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características blandas y quebradizas.

Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas y turbostráticas. En fibra de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2.200°C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener alta resistencia a la tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea deriva en fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica.

• Tipos de fibra de carbono.

Hay varios tipos de fibras, dependiendo de las diferentes temperaturas de calentamiento que se le da a la fibra y se obtienen las siguientes:

• La  fibra  de  carbono  de  alto  módulo  (HM): Es la más rígida y requiere la mayor temperatura en el tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa.

• La  fibra  de  carbono  de  alta  resistencia  a  la  tracción(HR):  Es la más fuerte y se carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia a la tracción, con valores superiores a 300 GPa.

• La fibra de  carbono  (III) o fibra estándar: Es la más económica; la rigidez es menor que en las anteriores pero la resistencia es buena; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas.

• La fibra de carbono activada: Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos, etc. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.

• FC crecida en fase de vapor: Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor (en inglés: VGCF vapour ground carbon fibres).

• Tipos de fibra.

Las fibras de carbono se suelen clasificar atendiendo a dos criterios: Tipo de precursor y Valor de su módulo de elasticidad. De acuerdo con el segundo criterio se distinguen cinco clases, o calidades, de fibras: SM (“Standard modulus”), UHM (“Ultra-high modulus”), HM (“High modulus”), HT (“High tenacity-high strength”) o IM (“Intermediate modulus”), y LM (“Low modulus”).

•

(a) Fibras para usos generales; (b) fibras para aplicaciones aeroespaciales. Valores de propiedades para fibras obtenidas a partir de PAN como precursor.*

• Aplicaciones La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC). Las técnicas utilizadas para materiales poliméricos son: moldeo manual (hand lay up), espreado (spray lay up), pultrusión, bobinado de hilo, compresión, RTM, etc. La fibra de carbono también tiene uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a la corrosión, y como un componente anti--estático. Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.

Conclusión.

Las fibras de carbono presentan una combinación de características que compensa sus precios y las convierten, para determinadas aplicaciones, en una alternativa valiosa. Sobresalen por poseer un excelente conjunto de propiedades mecánicas, entre las que se destacan: su baja densidad, ligereza, resistencia mecánica y química, y libertad de formas. En general, superan las ofrecidas por los diferentes tipos de aceros, hierros y aluminio.

También brindan la seguridad gracias a una mejor resistencia a los impactos y al fuego, ofreciendo un mejor aislamiento térmico y eléctrico.

Es cierto que el costo de fabricación de la fibra de carbono es superior al de los materiales tradicionales como el acero, sin embargo, ahorrando piezas de enlace y mecanización, reduciendo de manera importante los gastos de mantenimiento y aumentando la vida útil y la seguridad, las ventajas pueden valorizarse en términos de beneficios con el uso.

• Bibliografía.

• http://www.metalactual.com/revista/11/materialescarbono.pdf

• http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.mx/2011/11/fibra-de-carbono.html

• http://www.ehu.es/zorrilla/juanma/automovil/carbono.htm

• http://www.ecured.cu/index.php/Fibra_de_carbono

• http://www.puzzlecarbono.com/materiales_carbono.php

• http://tecnoblogueando.blogspot.mx/2013/01/fibra-de-carbono-la-fibra-de-carbono.html