Características de la fibra de carbono
¡La reputación de la fibra de carbono como material ha adquirido proporciones místicas! No sólo tiene la reputación de ser la mejor y la más fuerte, sino que también se ha convertido en algo cool tener algo hecho de fibra de carbono!
No pretendo ser un experto. Este artículo combina la información que he encontrado en mi investigación sobre la fibra de carbono, no soy una fuente primaria. Trato de ser preciso, pero cometo errores, sé que esto puede ser una sorpresa para algunos de ustedes, pero ahí está. Si usted planea construir un mástil u otras cosas de barco, haga su investigación. Consulta a un experto, y ten cuidado. Diviértete.
Primero, qué es la fibra de carbono
La fibra de carbono, como es lógico, está hecha de cristales de carbono alineados en un eje largo. Estos cristales en forma de panal se organizan en largas cintas aplanadas. Esta alineación de los cristales hace que la cinta sea fuerte en el eje largo. A su vez, estas cintas se alinean dentro de las fibras. La forma de la fibra es la forma original del material (su precursor) utilizado para producir la fibra de carbono. No conozco ningún proceso en el que las fibras tengan forma DESPUÉS de la carbonización. Estas fibras (que contienen cintas planas de cristales de carbono) son a su vez agrupadas por el fabricante en fibras más gruesas y se tejen en tela de carbono, se convierten en fieltro, se retuercen o se agrupan sin retuercen. Esto se denomina Roving. La fibra de carbono también se ofrece en forma de hebras picadas y en polvo.
Para modificar las características de la capa, a veces se añaden otros materiales como fibras de vidrio, kevlar o aluminio. La fibra de carbono rara vez se utiliza como tal. Más bien se incrusta en una matriz. En la fabricación de mástiles y en la construcción de barcos solemos pensar en resinas epoxi o de poliéster, pero la fibra de carbono también se utiliza como refuerzo de termoplásticos, hormigón o cerámica.
Fabricación de la fibra de carbono
Hay varios métodos para fabricar la fibra de carbono, pero esencialmente todos comienzan con la fabricación de fibras a partir de un material precursor rico en carbono. El tamaño y la forma originales de la fibra permanecerán en la fibra de carbono acabada, pero la estructura química interior se habrá modificado en gran medida a través de los diversos ciclos de calentamiento. Los primeros pasos son la carbonización y el estiramiento de las fibras precursoras, ya sea PAN: poliacrilonitrilo, brea o rayón. Se realizan varios ciclos de calentamiento a distintas temperaturas excluyendo el oxígeno. Este proceso elimina la mayoría de los otros elementos (hidrógeno y nitrógeno principalmente) del material de partida, dejando el carbono. También permite que el carbono se cristalice gradualmente en su característica forma de panal. Si aún no lo has visto, ve a mi página de Investigación del Carbono y mira el vídeo sobre la estructura de la fibra de carbono. es fabuloso.
Este vídeo de Youtube muestra la fabricación de la fibra de carbono y merece la pena verlo.
Los factores más importantes que determinan las propiedades físicas de la fibra de carbono son el grado de carbonización (el contenido de carbono, que suele ser superior al 92% en peso) y la orientación de los planos de las capas de carbono (las cintas). Las fibras se producen comercialmente con una amplia gama de variaciones de contenido cristalino y amorfo para modificar o favorecer las distintas propiedades.
Dependiendo del material de partida y del proceso de carbonización la fibra de carbono se modifica para adecuarse al propósito final. El PAN o poliacrilonitrilo es el precursor más común para los compuestos plásticos.
Las principales variaciones de las características son la resistencia frente a la rigidez. Utilizando diferentes ciclos de calentamiento se puede acentuar cualquiera de ellas. Se está investigando para modificar otras características, como la conductividad térmica y eléctrica.
No sólo es importante la estructura interna de las fibras, sino que la forma en que se alinean en los productos acabados tiene un enorme impacto en las propiedades del artículo que se fabrica. La alineación adecuada de las fibras de carbono es esencial para maximizar sus beneficios.
Propiedades de la fibra de carbono, ¡qué no se puede amar!
- Alta relación resistencia/peso
- Rigidez
- Resistencia a la corrosión
- Conductividad eléctrica
- Resistencia a la fatiga
- Buena resistencia a la tracción pero quebradizo
- Resistencia al fuego/no inflamable
- Alta conductividad térmica en algunas formas
- Bajo coeficiente de expansión térmica
- No venenoso
- Biológicamente inerte
- X-Permeable a los rayos
- Relativamente caro
- Requiere experiencia y equipo especializado para su uso.
No he escrito en detalle, pero la fibra de carbono es autolubricante, también tiene una excelente propiedad de apantallamiento EMI (interferencia electromagnética)
1- La fibra de carbono tiene una alta relación resistencia/peso (también conocida como resistencia específica)
La resistencia de un material es la fuerza por unidad de superficie en el momento del fallo, dividida por su densidad. Cualquier material que sea fuerte Y ligero tiene una relación Resistencia/Peso favorable. Materiales como el aluminio, el titanio, el magnesio, el carbono y la fibra de vidrio, y las aleaciones de acero de alta resistencia tienen una buena relación resistencia/peso. No es de extrañar que la madera de balsa tenga una elevada relación resistencia/peso.
Las siguientes cifras se ofrecen sólo a modo de comparación y variarán en función de la composición, la aleación, el tipo de araña, la densidad de la madera, etc. Las unidades son kN.m/kg.
| Fibra espectral | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Fibra de carbono | 2457 |
| Fibra de vidrio | 1307 |
| Seda de araña | 1069 |
| Compuesto epoxi de carbono | 785 |
| Balsa carga axial | 521 |
| Aleación de acero | 254 |
| Aleación de aluminio | 222 |
| polipropileno | 89 |
| Roble | 87 |
| Nylon | 69 |
Nótese que fuerza y rigidez son propiedades diferentes, la fuerza es la resistencia a la rotura, la rigidez es la resistencia a la flexión o al estiramiento.
Debido a la forma en que los cristales de la fibra de carbono se orientan en cintas largas y planas o en láminas estrechas de cristales de panal, la resistencia es mayor en sentido longitudinal que transversal a la fibra. Por ello, los diseñadores de objetos de fibra de carbono especifican la dirección en la que debe colocarse la fibra para maximizar la resistencia y la rigidez en una dirección concreta. La fibra se alinea con la dirección de mayor tensión.
La fibra de carbono precursora basada en el pan tiene una mayor resistencia que la fibra de carbono basada en el brea, que tiene una mayor rigidez.
2- La fibra de carbono es muy rígida
La rigidez de un material se mide por su módulo de Young y mide cuánto se deforma un material bajo tensión. El plástico reforzado con fibra de carbono es más de 4 veces más rígido que el plástico reforzado con vidrio, casi 20 veces más que el pino y 2,5 veces más que el aluminio. Para obtener más información sobre la rigidez y cómo se mide, además de una tabla comparativa de diferentes materiales, consulte mi página sobre el módulo de Young.
Recuerde que la tensión es la fuerza, la deformación es la desviación, como la flexión o el estiramiento
3- La fibra de carbono es resistente a la corrosión y químicamente estable.
Aunque las fibras de carbono en sí mismas no se deterioran de forma apreciable, el epoxi es sensible a la luz solar y necesita ser protegido. Otras matrices (cualquiera que sea la fibra de carbono incrustada) también pueden ser reactivas.
Las fibras de carbono pueden verse afectadas por agentes oxidantes fuertes
Los compuestos hechos con fibra de carbono deben hacerse con epoxi resistente a los rayos ultravioleta (poco común), o cubrirse con un acabado resistente a los rayos ultravioleta como los barnices.
4- La fibra de carbono es conductora de la electricidad
Esta característica puede ser útil o ser una molestia. En la construcción de barcos hay que tener en cuenta la conductividad al igual que la del aluminio. La conductividad de la fibra de carbono puede facilitar la corrosión galvánica en los accesorios. Una instalación cuidadosa puede reducir este problema.
El polvo de la fibra de carbono puede acumularse en un taller y provocar chispas o cortocircuitos en los aparatos y equipos eléctricos.
Actualmente hay bastante I+D sobre el uso de la conductividad eléctrica de la fibra de carbono para producir calor, ya sea para un curado más rápido de los materiales compuestos, o para las propias capacidades de calentamiento. Esto podría tener aplicación en la ropa de invierno o en la destinada a entornos difíciles.
Aquí hay un documento de investigación sobre los textiles conductores y su uso en la detección de heridas en combate. Archivo PDF
5- La resistencia a la fatiga es buena
La resistencia a la fatiga en los compuestos de fibra de carbono es buena. Sin embargo, cuando la fibra de carbono falla, suele hacerlo de forma catastrófica, sin signos exteriores significativos que anuncien su inminente fracaso.
El daño en la fatiga por tracción se ve como una reducción de la rigidez con un mayor número de ciclos de tensión, (a menos que la temperatura sea alta)
Las pruebas han demostrado que es poco probable que el fracaso sea un problema cuando las tensiones cíclicas coinciden con la orientación de la fibra. La fibra de carbono es superior al vidrio E en cuanto a la resistencia a la fatiga y a la estática, así como a la rigidez.
La orientación de las fibras Y la diferente orientación de las capas de fibras, tienen una gran influencia en la forma en que un compuesto resistirá la fatiga (al igual que en la rigidez). El tipo de fuerzas aplicadas también da lugar a diferentes tipos de fallos. Las fuerzas de tensión, compresión o cizallamiento dan lugar a resultados de fallo muy diferentes.
Documento del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, sobre las pruebas de los compuestos de fibra de carbono destinados a la automoción. American Institute of Aeronautics and Astronautics, prueba para materiales que se utilizarán en las palas de las turbinas eólicas.
6- La fibra de carbono tiene una buena resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción o resistencia final, es la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o se tira de él antes de que se cuelgue, o falle. El cuello es cuando la sección transversal de la muestra comienza a contraerse de forma significativa. Si cogemos una tira de bolsa de plástico, se estirará y en un momento dado empezará a estrecharse. Esto es el cuello. La resistencia a la tracción se mide en fuerza por unidad de superficie. Los materiales frágiles, como la fibra de carbono, no siempre fallan al mismo nivel de tensión debido a los defectos internos. Fallan a pequeñas tensiones. (en otras palabras, no hay mucha flexión o estiramiento antes del fallo catastrófico) Módulo de Weibull de los materiales frágiles
La prueba consiste en tomar una muestra con un área de sección transversal fija, y luego tirar de ella aumentando gradualmente la fuerza hasta que la muestra cambia de forma o se rompe. Las fibras, como las de carbono, al tener un diámetro de sólo 2/10.000 de pulgada, se fabrican en compuestos de formas adecuadas para poder realizar las pruebas.
Las unidades son MPa Esta tabla se ofrece sólo como comparación, ya que hay un gran número de variables.
| Acero al carbono 1090 | 650 |
| Polietileno de alta densidad (HDPE) | 37 |
| Polipropileno | 19.7-80 |
| Polietileno de alta densidad | 37 |
| Acero inoxidable AISI 302 | 860 |
| Aleación de aluminio 2014-T6 | 483 |
| Aleación de aluminio 6063-T6 | 248 |
| E-Vidrio solo | 3450 |
| E-Vidrio en un laminado | 1500 |
| Fibra de carbono sola | 4127 |
| Fibra de carbono en un laminado | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Madera de pino (paralela a la veta) | 40 |
NOTA: Cuando se ensaya la fibra de carbono, y otras fibras y materiales no homogéneos, hay que hacer muestras que sean consistentes y comparables. Esto no es un procedimiento sencillo. Si usted lee una investigación en la que se compara la resistencia/rigidez, los investigadores siempre explican cómo se fabricaron sus muestras, incluyendo el tipo de matriz, la alineación de las fibras, la relación entre las fibras y la matriz, entre otros factores. Esta dificultad explica por qué las mediciones pueden variar bastante entre los resultados de las investigaciones.
7- Resistencia al fuego/no inflamable
Aquí hay un artículo sobre el reciclaje de la fibra de carbono mediante la quema de la matriz.
La fibra de carbono está clasificada como no inflamable y no tiene un punto de inflamación listado. Si se expone a un calor elevado en presencia de la quema de combustible, puede llegar a oxidarse, pero en cuanto se retira la llama y el combustible, la llama no continúa.
Debido a que la fibra de carbono se utiliza casi siempre en una matriz como epoxi, plástico u hormigón, la tolerancia de la matriz a las altas temperaturas es el factor más significativo.
Dependiendo del proceso de fabricación y del material precursor, la fibra de carbono puede llegar a tener un tacto bastante suave en la mano y puede ser fabricada o, más a menudo, integrada en la ropa de protección para la lucha contra el fuego. Un ejemplo es la fibra recubierta de níquel. Debido a que la fibra de carbono es también químicamente muy inerte, se puede utilizar donde hay fuego combinado con agentes corrosivos.MANTA DE FONDO DE ALTA TEMPERATURA – NEGRO, 18″ X 24″
8- Conductividad Térmica de la Fibra de Carbono
Ver mi artículo sobre la Conductividad Térmica de los materiales basados en el Carbono, incluyendo la fibra de carbono, los nanotubos y el grafeno.
La conductividad térmica es la cantidad de calor que se transmite a través de una unidad de espesor, en una dirección normal a una superficie de unidad de área, debido a una unidad de gradiente de temperatura, en condiciones estables. En otras palabras, es una medida de la facilidad con la que fluye el calor a través de un material.
Existen varios sistemas de medidas dependiendo de las unidades métricas o imperiales.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Esta tabla es sólo para comparar. Las unidades son W/(m.K)
| Aire | .024 |
| Aluminio | 250 |
| Hormigón | .4 – .7 |
| Acero al carbono | 54 |
| Aislamiento de lana mineral | .04 |
| Madera contrachapada | .13 |
| Cuarzo | 3 |
| Vidrio Pyrex | 1 |
| Pino | .12 |
| Fibra de carbono reforzada con epoxi | 24 |
Debido a que existen muchas variaciones sobre el tema de la fibra de carbono no es posible precisar con exactitud la conductividad térmica. Se han diseñado tipos especiales de fibra de carbono específicamente para una conductividad térmica alta o baja. También hay esfuerzos para mejorar esta característica.
La Sociedad de Información de Materiales tiene una página sobre «grafito» AKA Fibra de Carbono
9- Bajo Coeficiente de Expansión Térmica
Esto es una medida de cuánto un material se expande y se contrae cuando la temperatura sube o baja.
Las unidades están en Pulgada / pulgada grado F, como en otras tablas, las unidades no son tan importantes como la comparación.
| Acero | 7 |
| Aluminio | 13 |
| Kevlar | 3 o menos |
| Fibra de carbono tejida | 2 o menos |
| Fibra de carbono unidireccional | menos 1 a +8 |
| Fibra de vidrio | 7-8 |
| Latón | 11 |
La fibra de carbono puede tener una amplia gama de CET, -1 a 8+, dependiendo de la dirección medida, la trama del tejido, el material precursor, a base de Pan (alta resistencia, mayor CTE) o a base de Pitch (alto módulo/rigidez, menor CTE).
En un mástil lo suficientemente alto las diferencias en los Coeficientes de expansión térmica de varios materiales pueden modificar ligeramente las tensiones del aparejo.
El bajo Coeficiente de expansión térmica hace que la fibra de carbono sea adecuada para aplicaciones donde los pequeños movimientos pueden ser críticos. Los telescopios y otras máquinas ópticas son una de estas aplicaciones.
10-11-12 No venenoso, biológicamente inerte, permeable a los rayos X
Estas cualidades hacen que la fibra de carbono sea útil en aplicaciones médicas. El uso de prótesis, implantes y reparación de tendones, accesorios de rayos X, instrumentos quirúrgicos, están todos en desarrollo.
Aunque no son venenosas, las fibras de carbono pueden ser bastante irritantes y la exposición a largo plazo sin protección debe ser limitada. Sin embargo, la matriz, ya sea de epoxi o de poliéster, puede ser tóxica, por lo que hay que tener el cuidado adecuado.
13- La fibra de carbono es relativamente cara
Aunque ofrece ventajas excepcionales de resistencia, rigidez y reducción de peso, el coste es un factor disuasorio. A menos que la ventaja del peso sea excepcionalmente importante, como en las aplicaciones aeronáuticas o en las carreras, a menudo no merece la pena el coste adicional. La baja necesidad de mantenimiento de la fibra de carbono es otra ventaja.
Es difícil cuantificar lo que es cool y lo que está de moda. La fibra de carbono tiene un aura y una reputación que hace que los consumidores estén dispuestos a pagar más por el caché de tenerla.
Puede que necesite menos cantidad en comparación con la fibra de vidrio y esto puede suponer un ahorro.
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14- Las Fibras de Carbono son frágiles
Las capas de las fibras están formadas por fuertes enlaces covalentes. Los agregados en forma de lámina permiten fácilmente la propagación de grietas. Cuando las fibras se doblan, fallan con una tensión muy baja. En otras palabras, la fibra de carbono no se dobla mucho antes de fallar.
Efecto de la variación de la relación entre la fibra de carbono y la matriz
15- La fibra de carbono aún no está orientada a las técnicas de los aficionados.
Para maximizar las características de la fibra de carbono, se debe alcanzar un nivel relativamente alto de excelencia técnica. Las imperfecciones y las burbujas de aire pueden afectar significativamente al rendimiento. Normalmente, se requieren autoclaves o equipos de vacío. Los moldes y los mandriles son también gastos importantes.
El éxito de cualquier construcción amateur de fibra de carbono estará estrechamente relacionado con la habilidad y el cuidado que se tenga.
Aquí hay un enlace a un vídeo de YouTube de Easy Composite Ltd. sobre varias técnicas de uso de la fibra de carbono. Tienen un número de vídeo de instrucción.
Este artículo es un trabajo en progreso. Seguiré añadiendo información y perfeccionando el texto a medida que vaya explorando el tema. La información que he presentado procede de diversas fuentes. He tratado de verificarla cuando he podido. Intento utilizar «fuentes fiables», como datos del fabricante, documentos de investigación o artículos universitarios. También me apoyo en la Wikipedia para tener una visión general.
Buen artículo de la Universidad de Tennessee sobre la producción de fibra de carbono.
Christine.
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