Placa de fibra de carbono
Decir que la introducción de las fibras de carbono ha revolucionado la ingeniería industrial puede parecer exagerado en un principio. Sin embargo, sus propiedades hablan por sí solas. Cuando se producen correctamente, los compuestos de fibra de carbono se benefician de una integridad estructural y una alta resistencia a la deformación que superan a las del acero de alta calidad, pero con una fracción del peso. Por ello, se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, desde construcciones portantes hasta piezas de automoción y aeroespaciales. Técnicas como la colocación automatizada de fibras permiten colocar el material con rapidez, lo que da lugar a grandes volúmenes de producción posibles.
Las fibras de carbono son esencialmente piezas individuales de filamento formadas por átomos de carbono. Las principales ventajas del material son su gran resistencia a la tracción, su módulo elástico y su muy bajo peso. Esto significa que la fuerza aplicada desde cualquier extremo del filamento se resiste fácilmente sin que la fibra se estire o se compacte de forma significativa.
Sin embargo, los filamentos individuales son relativamente fáciles de romper cuando se aplica una fuerza desde cualquier otra dirección. Por esta razón, hay que tener en cuenta la orientación de los filamentos individuales. Los compuestos formados por múltiples capas de fibras se fabrican alineando estas capas para beneficiarse de las propiedades mecánicas de las capas conectadas. Así, la gran resistencia a la tracción del material actúa en todas las direcciones.
Filamento de fibra de carbono
Desde que Roger Bacon descubrió los “bigotes de grafito” en 1958 en el Centro Técnico de Parma de Union Carbide (ahora GrafTech International), las fibras de carbono se han utilizado en aplicaciones de alto rendimiento, desde aviones a automóviles y desde satélites a artículos deportivos. La investigación de Bacon, junto con la de otros científicos de Parma a lo largo de los años, sentó las bases para la explosión del campo de la tecnología de materiales compuestos basados en la fibra de carbono.
La industria del carbono sintético tuvo su inicio oficial en 1886 con la creación de la National Carbon Company. Con sede en Cleveland, Ohio, la empresa acabaría fusionándose con Union Carbide en 1917 para formar Union Carbide & Carbon Corp., que cambió su nombre por el de Union Carbide Corp. en 1957. La división de productos de carbono de Union Carbide Corp. se convirtió en la empresa independiente UCAR Carbon Company en 1995, y pasó a llamarse GrafTech International Holdings en 2002.
La electricidad fue sobre todo una curiosidad de laboratorio hasta finales del siglo XIX, cuando las lámparas de arco de carbono comenzaron a iluminar las calles de las principales ciudades de Estados Unidos. Las lámparas estaban compuestas por dos varillas de carbono conectadas a una fuente de corriente y separadas por una corta distancia. Entre las dos varillas se formaba un camino ardiente de partículas cargadas, el “arco”, que emitía una luz intensa. National Carbon comenzó produciendo electrodos de carbono para las farolas del centro de Cleveland.
Usos y propiedades de la fibra de carbono
En comparación con los materiales tradicionales, como el acero, el aluminio, el hierro y el titanio, los materiales compuestos todavía están llegando a la madurez y sólo ahora son mejor comprendidos por los ingenieros de diseño y fabricación. Sin embargo, las propiedades físicas de los materiales compuestos -combinadas con un peso ligero insuperable- los hacen innegablemente atractivos.
Los materiales compuestos obtienen sus propiedades de la combinación de una fibra y una matriz de resina, lo que puede lograrse con uno de los diversos tipos de fabricación, de los que hablaremos en el boletín del próximo mes.
El Boeing 787 fue el primer avión comercial que utilizó ampliamente los materiales compuestos en sus componentes estructurales. Casi todas las partes visibles del avión -y muchas no visibles- están fabricadas con fibra de carbono/epoxi.
El uso moderno de materiales compuestos en la fabricación no es nuevo, ya que se remonta a varias décadas, desde principios de los años sesenta. Y antes de eso, la combinación de fibra con una matriz líquida se ha empleado en diversas aplicaciones, que van desde el probado barro y paja secos (ladrillos de adobe) hasta un concepto de coche desarrollado por Ford Motor Co. (Detroit, Mich., EE.UU.) en 1941 que presentaba paneles de carrocería hechos con compuestos reforzados con fibra natural.
Producción de fibra de carbono
La fibra de carbono es un polímero y a veces se conoce como fibra de grafito. Es un material muy resistente y a la vez muy ligero. La fibra de carbono es cinco veces más fuerte que el acero y dos veces más rígida. Aunque la fibra de carbono es más fuerte y rígida que el acero, es más ligera que éste, lo que la convierte en el material de fabricación ideal para muchas piezas. Éstas son sólo algunas de las razones por las que la fibra de carbono es la preferida por los ingenieros y diseñadores para la fabricación.
La fibra de carbono está hecha de filamentos cristalinos finos y fuertes de carbono que se utilizan para reforzar el material. La fibra de carbono puede ser más fina que un mechón de pelo humano y adquiere su fuerza cuando se retuerce como un hilo. A continuación, puede tejerse para formar telas y, si es necesario darle una forma permanente, la fibra de carbono puede colocarse sobre un molde y recubrirse de resina o plástico.
La fibra de carbono se remonta a 1879, cuando Thomas Edison coció a altas temperaturas hilos de algodón o plata de bambú, que se carbonizaron hasta convertirse en un filamento de fibra de carbono. En 1958, se inventaron las fibras de carbono de alto rendimiento en las afueras de Cleveland, OH. Aunque no eran eficientes, estas fibras contenían alrededor de un 20% de carbono y tenían pocas propiedades de resistencia y rigidez.