Cada vez es más popular y cada vez somos más conscientes de que la fibra de carbono es un compuesto (o composite) que tiene unas propiedades mecánicas excelentes. Pero... de qué estamos hablando exactamente cuando mencionamos este material que se ha dado a conocer por el automovilismo, sobre todo?
En cuanto a su definición, la fibra de carbono o fibra de carbón es una fibra sintética que se obtiene a partir de un polímero llamado poliacrilonitrilo. Un material compuesto principalmente por carbono que se constituye en filamentos de 5 – 10 μm de diámetro.
La composición de cada fibra o hilo por miles de estos micro-filamentos dotan a la fibra de carbono de propiedades similares a las del acero. Incluso logra una mayor resistencia a los impactos que este metal, debido a su gran dureza. A pesar de esto, nos encontramos ante un material ligero, equiparable a la madera o el plástico.
Las increíbles características que presenta la fibra de carbono se deben a su estructura atómica o molecular. Al igual que el grafito, presenta una estructura cristalina de átomos de carbono ordenados en láminas, con un patrón regular hexagonal. Pero mientras que el grafito es blando y más brillante, la fibra de carbono obtiene una mayor resistencia a roturas y más dureza. ¿Dónde reside, entonces, la diferencia?
Pues nos encontramos que las láminas de carbono en el grafito se disponen de manera paralela, regular y uniforme. Sin embargo, en la fibra de carbono, estas capas lo hacen al azar, juntas o apretadas. Adquiriendo así, distintas cualidades y características.
Debemos decirte que la importancia de la estructura de la fibra de carbono trasciende a sus propiedades y características, así que sigue leyendo para enterarte mejor.
Propiedades y características de la fibra de carbono
Este compuesto o composite presenta una serie de características que lo hace único:
Alta resistencia mecánica, aunque conserva un módulo de elasticidad también elevado.
Es conductor de la electricidad.
Tiene una baja conductividad térmica. Lo que se resume en gran capacidad como aislante térmico.
Baja densidad en comparación con otros materiales similares o que se utilizan para aplicaciones similares, como el acero. Ésta es de 1.750 kg/m3.
Buena tolerancia a diversos agentes externos.
Resistencia a variaciones de temperatura, conservando su forma de manera adecuada. Lo que se conoce como baja expansión térmica.
Alta flexibilidad.
Precio algo elevado en su producción. Aunque se va abaratando con el paso de los años. Esto es debido a que es un proceso de mucha duración (puede llegar a ser de meses) y que se realiza a muy altas temperaturas.
Es un componente duradero y tiene un diseño y aspecto elegante.
Debido a sus singulares propiedades, este material se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pasando de ahí a, principalmente, la industria del transporte aeronáutico y de automoción. Por su puesto, también es muy utilizada en el deporte de alta competición, donde se requieren buenas características mecánicas aunadas con la ligereza del compuesto. Hoy en día, ha pasado a utilizarse en ciertos productos de consumo regular.
Densidad de la fibra de carbono: comparativa con el acero y el aluminio
Como dice el título, es su baja densidad una de las características de la fibra de carbono que más capacidad de uso le da, en comparación con otros materiales. Y es que imagínate que puedes tener un material similar al acero pero que pesa como el plástico o, incluso menos. Pues lo lógico es pensar es que es ideal para barcos, aviones, naves y otros elementos para los que el peso resulta un impedimento.
La fibra isotrópica (que tiene comportamiento homogéneo en todas sus direcciones y es la adecuada para hacer mediciones de densidad veraces) se trata, normalmente, de un tipo de fibra de 12 a 18 micras de diámetro con un módulo elástico muy bajo: en concreto, 40 gigapascales. Y la densidad va desde los 1,6 g/cm3 a los 1,75 g/m3.
Al cambio, serían 1750 kg/m3, como indicamos anteriormente.
Veamos la tabla comparativa de las densidades de la fibra de carbono, el acero y el aluminio:
Fibra de carbono
Acero
Aluminio
Densidad media de 1750 kg/m³.
Densidad media de 7850 kg/m³.
Densidad media de 2700 kg/m³.
¿Para qué sirve la fibra de carbono?
Debemos decir que el composite de carbono es un material muy versátil. En la industria, se fabrica casi cualquier cosa con fibra de carbono. No es que sea lo más común, si no que es posible. Eso sí, cada vez se ve más en productos de uso doméstico y diario, cosa que significa que se está haciendo un hueco en el mercado poco a poco.
Probablemente, este hecho venga precedido, por el descubrimiento de sus cualidades, por su bajada de precio en los últimos años y por los mejores gastos de fabricación gracias a nuevas tecnologías.
Entre lo más destacado a nivel industrial tenemos:
Componentes y piezas automovilísticas y aeronáuticas: digamos aviones, coches, barcos, motos...
Piezas y utensilios para el deporte de alta competición como el ciclismo o la pesca.
Complementos como carteras y relojes.
Y mucho más.
Los usos y aplicaciones tecnológicas de la fibra de carbono alcanzan un número muy amplio. Lo mejor es que, si quieres informarte más en detalle, hagas clic en el enlace. Ahí hablaremos más en profundidad sobre todos los trabajos que se hacen con este compuesto.
Tipos de fibra de carbono
Este material es una fibra industrial que, mediante un proceso de pirolizado a altas temperaturas, se consigue desprender de todos los elementos excepto el carbono. Y en la fabricación, adquiere una serie de propiedades que nos sirven para distinguir diferentes clases.
Y ya que sabemos que la clasificación va a depender de las características que adquiere según su método de elaboración, a continuación veremos las maneras en que podemos agrupar los tipos de fibra de carbono:
Según el material precursor
Basadas en poliacrilonitrilo (PAN)
A base de brea
Basadas en brea de meso-fase (con una estructura similar a la del grafito)
A base de brea isotrópica
A base de Rayón
Cultivadas (en fase gaseosa)
Según la anchura del tejido
Para medir la anchura o espesor del tejido de fibra de carbono, nos ayudamos del número de filamentos que componen cada hilo. Un tejido de 1K mediría aproximadamente 1 mm de ancho. Sucesivamente, uno de 6K medirá 6 mm aproximadamente.
Las anchuras más comunes y comercializadas (estándar de nomenclatura) son: 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 50K.
Estas fibras se tejen en la tela con diversos patrones y direcciones, siendo la 3K la más común. Estos números no describen la calidad de la propia fibra. Además, los miles de hilos que componen la fibra de carbono pueden situarse de dos maneras distintas:
Hilo cilíndrico trenzado "twisted".
Formación en paralelo "untwisted" o "tow".
La disposición en paralelo es la base de la medición para la anchura y sus nomenclaturas.
Según su módulo de tracción
Nivel bajo (33 MSI). Normalmente, la fibra se comercializa atendiendo a una media de la rigidez que se mide en libras por pulgadas (MSI). A nivel microscópico, para un nivel bajo, se ven ciertas fisuras en la corteza que se deben tratar para obtener una rigidez superior.
Nivel intermedio (42 MSI). Se elimina la corteza fracturada y se pule la fibra dando una rigidez similar pero con una estructura más ligera.
Nivel alto (55 MSI). Si se sigue tratando, obtendremos cada vez, fibras de carbono más densas y pequeñas.
Ultra. Tipo UHM. O Súper alta resistencia. Tipo SHT (> 450 Gpa)
Alto. Tipo HM (entre 350 – 450 Gpa)
Intermedio. Tipo IM (entre 200 – 350 Gpa)
Bajo. Tipo HT (< 100 Gpa)
Según la temperatura de tratamiento térmico
Tipo I. Tratamiento de calor alto (HTT). Temperatura superior a los 2000º. Proporciona a las fibras una calidad elevada.
Tipo II. Tratamiento de calor intermedio (IHT). Temperatura alrededor de los 1500º.
Tipo III. Tratamiento de calor bajo. Temperatura por debajo de los 1000º. Son las fibras que consiguen, normalmente, peores calidades.
Según su origen, el material tiene distintas cualidades
En principio, hay que destacar dos ramas o subcategorías de la fibra de carbono: la turbostrática y la grafítica. Incluso puede existir alguna con estructura híbrida.
Las fibras de carbono turbostráticas son las derivadas del ya mencionado poliacrilonitrilo. Y su característica principal es que los átomos de carbono se disponen apilados de forma irregular y aleatoria. Este tipo de fibra son las ideales para aguantar fuerzas altas de tracción, gracias a su resistencia a éstas.
Por otro lado, tenemos las grafíticas, que son las derivadas de la brea mesofase. Éstas, sin embargo, son fibras de alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica. Esto es debido a que estas fibras de carbono sí que se disponen de manera más regular.
¿Cómo se fabrica?
La fabricación de materiales en fibra de carbono se realiza en compuestos. Es decir, habitualmente, la elaboración se lleva a cabo con otros polímeros termoestables como la resina epoxi. O en menor medida el poliéster y el viniléster.
Básicamente y por resumirlo un poco, todo el sistema de elaboración suele centrarse en moldes y posterior secado o curado en horno de la pieza moldeada.
Te invitamos a dar clic en la imagen o en el enlace anterior para conocer todo el proceso en detalle.
Además de esto, te acercamos maneras de realizar tú mismo algunas piezas. Para ello, aparte de tutoriales, tienes un catálogo con todos los productos que te harán falta. Como siempre, de la forma más económica posible.
Más ventajas del compuesto de carbono
Como hemos dicho al principio, lo más sorprendente de la fibra de carbono (y lo más valorado también), es la transferencia de propiedades. Cada pieza fabricada a partir de ella se antoja resistente y duradera, con peso liviano y con un aspecto visual que enamora. Por estas razones existen diferentes mundos en los que tiene cabida por sus características físicas o por su aspecto.
La fibra de carbono y el automóvil
Con respecto a la fibra de carbono para coches, debemos diferenciar dos ramas distintas, por así decirlo.
La primera tiene que ver con el deporte de alta competición como la Fórmula 1, o los autos deportivos de alta gama como los que se utilizan en circuitos cerrados. En esta zona de trabajo, se mira por el rendimiento que ofrecen las piezas fabricadas con fibra de carbono: en términos de aerodinámica y liberación de peso.
Para lo más cotidiano, normalmente se suele tirar más por el aspecto visual. Lo más común es ver usuarios que priman la personalización de su vehículo.
El descubrimiento del carbono forjado
Recientemente, ha aparecido un nuevo sistema de fabricación que está atrayendo muchos admiradores. Estamos hablando de la fibra de carbono forjada o carbono forjado.
Como ves en la foto tiene un aspecto que recuerda al mármol negro, pero los beneficios son otros: es una técnica más barata y sencilla en el proceso de elaboración. Y ya se está utilizando para muchos coches deportivos de alta gama.
No puedes negar que tiene un estilo muy chulo, ¿verdad?
En bicicletas, accesorios y productos de ciclismo
¿Conoces los beneficios de las bicicletas de fibra de carbono? Ya hemos aclarado algo por encima: gracias a este compuesto, se consiguen productos relacionados con el ciclismo de muy buena calidad.
Entre estos productos que decimos, podemos encontrar cuadros, llantas, sillines, cascos de bici, zapatillas, horquillas, tijas de sillín y manillares; además de otros accesorios.
¿Acaso te gustaría ver más información sobre este material de fabricación para bicicletas?
Usos y aplicaciones de la fibra de carbono
¿Te animas a descubrir en qué trabajos se utiliza el material del siglo XXI? Cuando termines sabrás todo acerca de los usos y aplicaciones de la fibra de carbono. Te lo aseguramos.
Como introducción y para ponernos en perspectiva, veremos las principales cualidades de la fibra de carbono. Entre las más destacadas, podemos encontrar su elevada resistencia mecánica gracias a un, también alto, módulo de elasticidad; una baja densidad en comparación con otros metales utilizados para aplicaciones similares (como ejemplo, el acero); y una estupenda resistencia a agentes exteriores como la corrosión o la oxidación.
Es importante saber ésto porque así entenderemos que se utilice para unas cosas concretamente, y no otras. Sigamos.
¿Cómo se usa la fibra de carbono principalmente?
Tenemos la suerte de estar ante un material que presenta oposición a los cambios bruscos de temperatura, es termoestable, y conserva su forma de forma eficiente. Además de ello, cuenta con excelentes propiedades ignífugas.
¿Has atado cabos? Eso es. Estas características hacen de la fibra de carbono un elemento ideal para utilizar en la industria automovilística o aeroespacial. Sin dejar de lado, por supuesto, la industria náutica, la del deporte de competición o la robótica.
Como hemos visto, gracias a sus propiedades, la fibra de carbono se desarrolló primeramente para la industria espacial. A día de hoy, es menos costosa y está acaparando todos los rincones cotidianos. De hecho, de ahí nace esta web. Y debemos decir que por méritos propios, ella misma se ha extendido a los campos que hemos mencionado anteriormente.
Productos que se comercializan hechos con fibra de carbono
Pues bien, ¿queremos entender entonces cómo se materializa la fibra de carbono en la industria?
Este material se comercializa en forma de tela y de piezas principalmente. Entre estas piezas encontramos los vinilos, los tubos y varillas, las planchas, etc. Todos ellos, se pueden encontrar de formas, tamaños, dimensiones y colores diferentes, además de en distintas calidades como pasa con todo. Incluso algunos simplemente imitan el aspecto de la textura, pero también se consideran "de fibra de carbono". Así que en también están incluidos en la tienda, por si te interesa echar un vistazo a lo que se ofrece en el mercado.
Elementos que se pueden elaborar con ella
Es hora de ver qué productos nos podemos encontrar fabricados con fibra de carbono dentro de cada industria. De manera general, podemos concluir que casi siempre suelen ser diseños de una sola pieza:
Automovilismo: silenciadores y tubos de escape, protectores para depósitos, puertas, parachoques y carrocería, capós, entradas de aire, llantas y ruedas...
Electrónica y robótica: ordenadores, trípodes para fotografía, drones y teledirigidos...
Deporte: bicicletas y cascos, cañas de pesca, patines, raquetas, palas, remos, bastones...
Música: instrumentos, fundas, accesorios...
Complementos: gafas, carteras, pulseras y relojes (joyería en general)...
Construcción: refuerzos estructurales para edificios...
Medicina: prótesis y muletas...
Eléctrica: eólica, hidráulica...
¿Cuáles son las aplicaciones tecnológicas de la fibra de carbono?
Con respecto a los usos que tiene la fibra de carbono, se suele comparar directamente con el acero y el aluminio, ya lo hemos contado. Pero ésto es debido a sus aplicaciones y no a sus propiedades. Son materiales diferentes. Éstos son metálicos y la fibra no.
Te habrás dado cuenta el sin fin de usos que tiene la misma. Entonces habrás entendido que en cada una de las industrias donde se trabaja, se hace en combinación con estos metales que mencionamos. Ninguno suple completamente a ningún otro, así que la forma más óptima de utilizarlos es en conjunto. Un ejemplo clarísimo de esto es la aplicación en el ciclismo: existen multitud de piezas como horquillas, ruedas, manillares, etc, que con un conjunto de metálicos con carbono.
Ayuda a mejorar el rendimiento industrial
En este vídeo podemos ver de manera más gráfica un poco de información sobre la utilización que se le puede dar al carbono -pero más abajo seguimos-:
Hemos tratado las aplicaciones más comunes de la fibra de carbono. Pero también debemos saber que es utilizada para refuerzo de materiales como el plástico o como electrodo en grandes áreas. Incluso tiene usos menos conocidos como la filtración de gases.
Dentro del automovilismo, nos va a permitir conocer coches eléctricos de menor peso. Ésto se traduce en mayor aerodinámica, pues también contribuirá en gran medida a la reducción de la fricción. ¿Cuál será entonces el resultado? Pues automóviles con un aumento de velocidad y una disminución de consumo de combustible considerable. Lo que los expertos llaman: el futuro.
Como resumen y como seguro que has intuido, la lista de usos de la fibra de carbono solo sabe crecer. Y en esta web siempre te daremos todos los detalles.
Historia de la fibra de carbono
Si has llegado hasta aquí podrás observar en unos instantes que vamos a arrojar un poco de luz sobre la historia de la fibra de carbono. Como es un material reciente, novedoso y moderno, se tienen bastantes datos sobre su descubrimiento. Pero hay ciertos aspectos que causan alguna que otra controversia.
¿Te animas a seguir leyendo y resolver por ti mismo quién descubrió la fibra de carbono de una vez por todas?
¿Quién inventó la fibra de carbono?
Llegamos al primer punto y resolvemos una de las primeras cuestiones que. como hemos mencionado, causan una pequeña controversia. Se cree o se dispone que, el inventor de la primera fibra de carbono, no fue otro que Thomas Alva Edison.
El creador de la primera bombilla o lámpara incandescente, antes de la elaboración de las mismas con tungsteno (aproximadamente en 1879), fabricaba los primeros filamentos para las bombillas con hilos de algodón o láminas de bambú calentados en un horno a altas temperaturas. Estos materiales están compuestos por celulosa y, ésta a su vez, se compone en gran parte por carbono.
El resultado eran unos filamentos carbonizados, pero todavía no se podían considerar fibra de carbono porque no tenían, ni por asomo, la calidad de los compuestos modernos.
El chico que véis en la imagen anterior es Roger Bacon. Él mismo, en 1958 en Ohio, creó unas fibras de alto rendimiento de carbono. Más concretamente, en un centro técnico de Cleveland. Y para otros pocos, este chico es el verdadero inventor de la fibra de carbono.
Se necesitaba una mejoría
Las fibras de las que hablamos, se fabricaban también mediante la carbonización de filamentos calentándolos a temperaturas altas. Pero esta vez, el material en cuestión sería en rayón. Aunque este proceso, pronto se descartaría porque el resultado solo tenía un 20% de carbono y carecía de las buenas características que se confiere a la fibra de carbono moderna, es decir, no llegaban a la eficiencia necesaria. Ni eran fuertes ni rígidas.
En la década de 1960 se dio un paso más. Un ingeniero japonés, llamado Akio Shindo, consiguió desarrollar filamentos que contenían un 55% de carbono. El proceso se elaboró en la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, y tenía al poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima (qué es lo que se usa actualmente también).
¿Cuando se hizo el descubrimiento de la fibra de carbono?
Se podría decir, que fue en 1963 cuando apareció la fibra de carbono como la conocemos hoy en día. El dato hace referencia a la patente de un proceso de fabricación diseñado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido para sus aeronaves. Seguidamente, en el mismo país, se autorizaría a tres empresas a producirla en masa: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds.
A Morganita no le parecía rentable producir un elemento tan caro para un mercado tan limitado. Así que decidió que la elaboración de fibra de carbono fuera una pequeña línea en sus fábricas, sin eclipsar su fuente de ingresos y negocios principal. Rolls-Royce se adelantó demasiado y creó aspas de fibra de carbono para los compresores de los motores de las aviones.
Este paso resultó ser un tropiezo para la marca, pues estos motores eran vulnerables al impacto de aves. Tanto fue así, que la planta de producción de fibra de carbono de Rolls-Royce fue vendida a la firma "Bristol composites". Dejando, entonces, a Courtaulds como única marca con gran producción de composites de carbono en el Reino Unido.
Alternativas mejores para el proceso de fabricación
Esta marca se inició en la industria aeroespacial y en la del equipamiento deportivo. Pero el proceso, como sabéis, ha sido mejorado desde entonces y la fibra de carbono tiene ahora usos que no podríamos ni imaginar. De hecho, durante la década de 1970, se descubrieron formas alternativas de elaboración con derivados del petróleo. El rendimiento fue notablemente superior: fibras de carbono con un 85% de riqueza y gran resistencia a la flexión.
Para saber cómo es y cómo se hace la fibra de carbono hoy en día, al final de este artículo tienes más enlaces de información.
¿Cómo se dice fibra de carbono en inglés?
Nos ha parecido buena idea dar solución, también, a esta pregunta. Quizás no parezca que tiene relación con la historia de la fibra de carbono, pero claro, los primeros datos sobre ella estaban en inglés. Así que, ¿por qué no hacer referencia a la fibra de carbono tal y como fue nombrada en sus inicios, en el idioma más hablado del mundo? Pues se dice así:
CARBON FIBERS
Además, puedes utilizar el buscador para completar la información que necesitas:
Este compuesto o composite presenta una serie de características que lo hace único:
