fibra de carbono

Fibras Fibras de Carbono Carbono

Jos´ e Alejandro Ospina Ospina Facultad de Minas - Escuela de ingenier´ ingenier´ıa El´ ectrica ectrica y Mec´  anica  Universida Universidad d Nacional Nacional de Colombia Colombia - Sede Sede Medellin  Medellin 

(Dated: 25 de Noviembre de 2008) La fibra de carbono carb ono es el t´ermino ermino del cual se hace referencia a un material compuesto de ´ındole ındole no met´ alico alico y de la clase de los pol p ol´ ´ımeros. La estructura at´omica omica de la fibra de carbono es similar a la del grafito. grafito. Entre Entre los rasgos rasgos principales principales de este, este, es su elevada elevada resistencia resistencia a todo lo mec´ anico, ya que tiene la suerte de contar con un modulo el´astico astico muy elevado. Tambi´ en en su baja densidad es de gran importancia. Su precio es elev elevado, ado, pero hoy en d´ıa, ıa, se usa en muchas de las aplicaciones en la industria aeron´ autica, automotriz, entre otras. autica,

La facu facult ltad ad del del ´atomo atomo de carbono carbono para para enlaza enlazarse rse fuert fuertem emen ente te cons consig igoo mism mismoo , es la base base de todos todos los productos productos qu´ qu´ımicos. ımicos. Sin el enlace enlace carbono-car carbono-carbono, bono, la vida, como la conocemos conocemos hoy, hoy, no podr´ podr´ıa existir. existir. Pero ahora, incrustando varias fibras basadas en cadenas de carbono se define fibras de carbono como las fibras que tienen tienen m´ınimo el 92 por ciento ciento de carbono carbono en peso de su composici´ composici´ on on [1]; su estruc estructur turaa puede puede ser crista cristalin lina, a, amorfa o semi-cristalina. La estructura m´as as generalizada es la cristalina que lleva una estructura de cristal del grafito (FIG.1), esta consiste en una hibridaci´on on sp2 de los ´atomos atomos de carbono. Los ´atomos atomos de carbono dentro de una capa est´an an por medio de enlaces covalentes proporcionados por la deslocalizaci´on on de los orbitales Pz. Esta deslocalizaci´on on crea un grafito con buena conductividad t´ ermica ermica y el´ectrica ectrica en el plano x-y. x-y. La uni´on on entre capas es por medio de fuerzas Var Der Waals, por lo que el carbono puede f´acilmente acilmente deslizarse uno con respecto al otro; el grafito grafito es un aislante aislante el´ ectrico ectrico y un aislante aislante t´ ermico ermico perpendicular perpendicular a las capas. El grafito grafito tiene un alto m´odulo odulo de la elasticidad paralelo al plano y un bajo modulo modul o cuando cuan do es perpendicul perp endicular ar a est´e. e. As´ As´ı, el grafito gra fito es altamente anisotr´opico. opico.

textura de la fibra. Consecuentemente, una fibra de carbono tiene un m´odulo odulo m´as as alto cuando se esta paralelo al eje de la fibra, que perpendicular perpendicular a este. Semejant Semejanteemente, la extensi´on on el´ectrica ectr ica y t´ermica ermi ca es m´as a s baja a lo largo del eje de la fibra. Cuanto mayor es el grado de alineaci´on on de las capas del carbono paralelas al eje de la fibra, cuanto m´as fuerte es la textura de la fibra, la densidad, el contenido del carbono, el m´odulo odulo extensible de las fibras, la conductividad el´ectrica, ectrica, y la l a conductiv c onductividad idad t´ ermica ermica paralela paralel a al eje de la fibra; m´as as peque˜ no es el coeficiente de las fibras no de extensi´on on t´ ermica ermica y de fuerza de esquileo interna. Las capas de carbono son un mont´on de secuencias AB, as´ as´ı la mitad de atomos a´tomos de carbono tiene ´atomos atomos directamen rectamente te arriba arriba y debajo de esta en capas adyacent adyacentes. es. La secuencia AB viene de una estructura cristalina HCP (hexagonal close packed). Las fibras de carbono se han comercializado disponiblemente en tres categor´ ca tegor´ıas, ıas, llamadas llamada s general-purpo general -purpose se (GP), high-pe high-perfo rforma rmance nce (HP), (HP), y fibras fibras de carbono carbono activ activas as (ACF). El tipo general-purpose es caracterizado por que tiene una estructura amorfa e isotropita, baja resistencia a la tensi´on, on, bajo modulo de tensi´on, o n, y bajo cos costo to.. El tipo high- performance, performance, tienen alto modulo asociado con una gran proporci´on on de grafito y son anisotr´opicos. opicos. Las fibras de carbono activas se caracterizan por que presentan un largo numero de micro poros abiertos, los cu´ales ales act´ uan como sitio de la adsorci´on. uan on. La capacidad del absorci´ on de las fibras de carbono activas es comparable a on la de carbones activos, pero la forma de la fibras de carbono activadas permite que el absorbato llegue al sitio de absorci´ on on m´as as r´apidamente, apidamente, as´ as´ı acelerando los proceses de la adsorci´on on y de la deserci´on[2]. on[2]. la cantidad adsorvida aumenta con una activaci´on on severa. severa. la activaci´ activaci´ on on severa puede conseguirse tratando el ACF comercial con ´acido acido sulf´ urico urico calentandol calentandoloo a 500 C ascendentemente [3]. Las fibras de carbono son fabricadas utilizando fibras Pitch, fibras polim´ericas ericas o gases carbonosos, carb onosos, pero p ero las fibras de carbono carbono comerciale comercialess son fabricadas fabricadas utilizando pitch (hechada) o Poliacrilonitrilo (PAN) como precursores [4]. La fibra del precursor es fabricada por t´ecnicas ecnicas de giro convencionales, tales como hilatura en mojado para PAN. Estas deben ser convertidas a una forma que ◦

FIG. 1: Estructut Estructuta a cristalina cristalina del grafito

El alto m´odulo odulo de una fibra de carbono proviene del hecho de que las capas del carbono, aunque no necesariamente planas, tienden a ser paralelas al eje de la fibra. Esta orientaci´on on preferida cristalogr´afica afica se conoce como

2 sea inflamable y estable en temperaturas altas (mayores a 700 C) implicadas en la carbonizaci´ o n. Por lo tanto, antes de la carbonizaci´on, se estabilizan para el caso del precursor de PAN. La estabilizaci´on se realiza en una atm´osfera oxidante. Despu´ es de esto, las fibras generel-purpose y high-performance son obtenidas por la carbonizaci´o n en una atm´osfera inerte, seguida por la grafitizaci´ on a temperaturas mayores de 2500 C en una atm´ osfera inerte, s´ı se desea un alto m´odulo; mientras las fibras activadas de carbono se obtienen activ´andolas en una atm´osfera reactiva, a temperaturas elevadas. Para el caso del Pitch como el precursor, un Pitch isotr´o pico da una fibra isotr´ o pica de carbono, que pertenece a la categor´ıa de las fibras de carbono generalpurpose , mientras que el Picth anisotr´opico nos da las fibras high-performance de carbono que tienen las capas del carbono preferencial paralelas al eje de la fibra. Pero estas fibras no son utilizadas como tales, sino que se emplean para reforzar materiales tales como las resinas epoxi y otros materiales termorr´ıgidos. A estos materiales reforzados se los llama comp´ositos porque tienen m´as de un componente. Los comp´ositos reforzados con fibras de carbono son muy resistentes para su peso. Son a menudo m´as fuertes que el acero, pero mucho m´as livianos. Debido a esto, pueden ser utilizados para sustituir los metales en muchas aplicaciones, desde piezas para aviones y trasbordadores espaciales hasta raquetas de tenis y palos de golf. Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente hay disponible fibra coloreada. Asimismo se trata de un material sumamente caro, en especial porque tiene muy buenas propiedad mec´anicas, las cuales son muy elevadas, al tiempo que cuenta con una gran ligereza. Otras razones por las cuales tienen un precio muy elevado es porque se trata de un pol´ımero sint´ etico cuyo sistema de producci´on es muy extenso y, por ende, m´as que costoso. A dicho proceso se lo debe llevar a cabo con una temperatura alta que ronde los 1100 C y 2500 C en una atm´osfera de hidr´ogeno. Este proceso ha llegado a durar meses, siempre dependiendo de la calidad que se busque para el resultado final. Por otra parte, cuando se emplean materiales termoestables se puede llegar a retrasar el procedimiento, fundamentalmente porque pasa a ser necesitado un dispositivo especializado en el tema[5]. Las propiedades como el modulo de tensi´on, la fuerza extensible, la resistencia el´ ectrica, y la conductividad t´ermica de la fibra de carbono dependen de su estructura. Los aspectos estructurales que son importantes particularmente son:

las capas del carbono

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4. La textura paralela o el perpendicular al eje de la fibra 5. La curvatura del radio de las capas del carbono 6. La estructura de dominio

◦

o

o

1. El grado de cristanilidad 2. El espacio de la capa intermediaria 3. Los tama˜n os del cristal o, m´ as exactamente, las longitudes coherentes perpendiculares y paralelos a

7. La fracci´on del volumen Pero estos cambian, cuando se afecta la estructura, la cual se ve afectada por la facilidad de la grafitizaci´on del precursor del carbono. Las fibras basadas en PAN, incluso despu´es de el tratamiento t´ermico a mas de 2000 C, sigue siendo turbostratic ( Tipo de estructura cristalina donde los planos b´asicos se han deslizado de lado concerniente de cada uno, haciendo el espaciamiento entre los planos ser mayor que ideal) [6]. Atendiendo a sus propiedades mec´anicas las fibras de carbono pueden clasificarse en: ◦

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Fibras de ultra alto m´odulo (UHM): Son aquellas que presentan un m´odulo elasticidad superior a los 500 Gpa (i.e. ¡ 50 por ciento del m´odulo el´astico del monocristal de grafito, 1050 Gpa). Fibras de alto m´odulo (HM): Presentan un m´odulo de elasticidad superior a 300 Gpa, pero con una relaci´on resistencia a la tracci´on/m´ odulo de tensi´on menor del 1 por ciento. Fibras de alta fuerza (HT): Presentan valores de resistencia a la tensi´on superiores a 3 Gpa y con relaciones resistencia a la tracci´on/m´ odulo de 0.015-20. Fibras de m´odulo intermedio (IM): Presentan valores del m´odulo de tensi´on superiores a 300 Gpa y relaciones de resistencia a la tracci´on/m´ odulo del orden de 0.01. Fibras de bajo m´odulo: Son fibras de carbono de estructura is´otropica, con valores bajos del modulo y resistencia a la tensi´on. Se comercializan como fibras cortas [7].

Las propiedades de las fibras de carbono var´ıa extensamente dependiendo de la estructura de las fibras (dicho anteriormente). Las caracter´ısticas atractivas de las fibras del carbono incluyen generalmente las siguientes: •

Baja densidad

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Alto modulo de resistencia y fuerza

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Bajo coeficiente de expansi´ on t´ermica

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Estabilidad qu´ımica

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Alta conductividad t´ermica

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Baja resistencia el´ectrica

3 •

F´ acil de moldear

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Decrecimiento del costo (vs. el tiempo)

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Adem´ as permeable a los rayos X, una propiedad importante en el equipamiento m´edico

Para hacernos una idea, basta comparar la fibra de carbono con el acero: M´ od. de resistencia a la tracci´ on: Fibra de carbono 3.5, Acero 1.3; Resistencia espec´ıfica: fibra de carbono 2.0, Acero 0.17; Densidad: fibra de carbono 1.75, Acero 7.9. Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor. En cuanto a m´odulo de elasticidad hay una amplia gama de fibras de carbono que van desde 240 hasta 400 Gpa. Ademas posee una resistencia vinculada con las variaciones en los grados de temperatura, pudiendo adem´as conservar su forma, aunque siempre y cuando intervenga la matriz termoestable que estas poseen. As´ı mismo, cuenta con buenas propiedades ign´ıfugas (Que protege contra el fuego). Las desventajas de las fibras de carbono son: •

Son anisotr´opicas

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Baja tensi´on a las fallas

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La fuerza comprensiva es baja con respecto a la fuerza extensible La oxidaci´on de las fibras de carbono es catalizada por un ambiente alcalino

El carbono es biocompatible incluso con el oro o el platino, por eso las fibras de carbono son utilizadas en implantes, cu´ales act´ uan como andamio para el col´ageno en tendones[8], para reparar los defectos de la pared del abdomen[9], y para el crecimiento de axones espinales en una m´ edula espinal, entre otras. Las fibras de carbono proporcionan una superficie adhesiva favorable y una funci´on rectora posible[10]. Ahora, describamos algunas de sus aplicaciones: La asociaci´on japonesa de fabricantes de fibra de carbono la llaman la fibra milagrosa: ”Ligera en peso, fuerte y duradera”. Indudablemente tiene un gran porvenir industrial, incluso fuera del a´rea aeron´autica-espacial. Es el material tecnol´ogico del siglo XXI, precursor de los nanomateriales. De alto precio, pero con tendencia a bajar. La industria de transportes, en especial la aeroespacial lleva d´ecadas buscando materiales compuestos (C/C), para sustituir al metal. El objetivo es disminuir el peso del veh´ıculo y aumentar la eficacia. La industria de sat´ elites y de aviones militares lleva la delantera; el alto precio de los C/C (carbono/carbono) no es un inconveniente [11]. En los ´ultimos a˜ nos el tema de los compuestos de fibras , se ha ampliado de tal manera, que las fibras de carbono constituyen ahora s´olo una de

una serie de fibras de refuerzo con que se cuenta para su uso en materiales compuestos. Los materiales compuestos carbono/carbono son un tipo particular de materiales compuestos en los que se combinan un refuerzo de carbono (generalmente una fibras de carbono) y una matriz tambi´ en carbonosa (resinas, pol´ımeros o breas, con las que primero se impregna la fibra y luego se carbonizan para dar lugar a esta matriz). Este tipo de materiales se caracterizan por ser ligeros y a la vez densos, con altas prestaciones mec´anicas, alta resistencia t´ermica (en atm´osfera no oxidante) y muy inertes ante la mayor´ıa de agentes qu´ımicos. Por el contrario su punto d´ebil es la gran reactividad en atm´osfera oxidante cuando se sobrepasan los 400-500 C. Tambi´en son materiales de alto coste aunque los avances tecnol´ ogicos y su uso m´as generalizado tienden a abaratar sus costes[12]. Una propiedad especial de los compuestos de fibras , en este caso de las fibras de carbono, es que son anis´otropos: su fortaleza difiere de conformidad con la direcci´o n en que se aplica una fuerza respecto de la direcci´on de las fibras. Por ejemplo , si se tira del material en paralelo a la direcci´on de las fibras tendr´a una inmensa fortaleza , pero si se aplican fuerzas a 90 de la alineaci´on de la fibra la resistencia del compuesto depende casi exclusivamente de la matriz de resina relativamente endeble. Si los compuestos se usan en hojas y si han de resistir fuerzas en m´as de una direcci´on , es necesario construir capas laminares alternadas de fibra y resina en direcciones diferentes (FIG. 2). Con esta disposici´ o n , la capa laminar que proporciona la mayor parte de la fortaleza variar´a de acuerdo con la direcci´on de la fuerza de tracci´ on aplicada. o

o

FIG. 2: Los laminados de fibra de carbono

Adem´ as de poseer propiedades diferentes en las direcciones longitudinal y transversal, los compuestos exhiben

4 diferentes propiedades de tracci´on y de compresi´o n. En realidad, teniendo tantas propiedades que considerar, los materiales de fibras se convierten en algo extremadamente sofisticado para trabajar con ellos. Los c´alculos propios de un componente sometido a un sistema de tensiones multidireccionales, son tan laboriosos, que se han creado especialmente programas de ordenador para ser usados de manera ´optima en consonancia con la alineaci´on espec´ıfica de sus fibras. Con la ayuda del ordenador, el proyectista puede seleccionar individualmente la fibra, la matriz, el contenido de la fibra y la orientaci´ on del laminado que proporcionar´an la rigidez o la fortaleza necesarias, en la direcci´o n y la ubicaci´ on deseadas. Tambi´en pueden usarse ordenadores para controlar los sumamente intrincados modelos en que est´an colocadas las fibras, con miras a ofrecer la combinaci´on ´optima de propiedades mec´anicas[13]. En lo que respecta a los usos, la fibra de carbono es ampliamente utilizada en industrias como la aeron´autica y automovil´ıstica, al tiempo que puede ser empleada para la fabricaci´ on de barcos y bicicletas, donde se destacan como fundamentales sus propiedades mec´anicas y su relevante rasgo de ligereza. Muchas computadoras port´atiles, tr´ıpodes e incluso ca˜nas para realizar tareas de pesca tambi´ en tienen este material en su composici´on. Otro material sorprendente basado en las fibras de carbono es el Carbon Shield, que es un material de alta tecnolog´ıa, basado en fibra de carbono resistente al fuego, qu´ımicos y radiaci´on no visible, la cual simplemente no se quema aun si se le expone a temperaturas superiores a 1300 C, este se esta utilizando para crear capuchas utilizadas en procesos qu´ımicos, procesos que llevan involucrada la radiaci´on, equipamento de bomberos, entre otros[14] . Pasando del concepto de la fibra de carbono, a un dato curioso como el del origen y desde que a˜no, se est´an utilizando, Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la ´epoca de fuerte trabajo de Thomas Edison, quien las prepar´o gracias a un proceso de carbonizaci´on, que logr´o por el empleo de filamentos de otras fibras (de bamb´u, celulosa). Las mismas fueron posteri◦

ormente utilizadas para la preparaci´on de otros filamentos: los de las l´ amparas incandescentes. Sin embargo, fue reci´en en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un proceso industrial consistente en la obtenci´on de este material y con la utilizaci´on de un carbono de alto m´odulo de Young. Seis a˜ nos despu´es se obtuvieron fibras de PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se desarrollaron muchas otras a partir del uso de breas de carb´on, de petr´oleo y de resinas fen´olicas. En la d´ecada de los 80’s, se las fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto m´odulo y las cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones[15] .

[1] E. Fitzer, en carbon fibers filaments and composites. editado por J.L Figueiredo, C.A bernardo, R.T.K. Baker y K.J Huttinger, Kluwer Academic, Dordrecht, 1990, pp. 3-41. [2] L.I. Fridman y S.F Grebennikov, khimicheskie volokna,. 1990, pp. 10-13. [3] Isao Mochida y Shizuo Kawano, Ind. Eng. Chem. Res. 1991, pp. 2322-2327. [4] K. okuda, trans. mater. res. soc. jpn.1, 1990, pp. 119-139. [5] http://www.maquinariapro.com/materiales/fibradecarbono. [6] A. Duerbergue y A. oberlin, carbon 30, vol. 7 , 1992, pp. 981-987. [7] http://www.oviedo.es:80/personales/carbon /fibrasdecarbono.html. [8] D.H.R Jenkins y B. McKibbin, bone joint surg , 1998, pp. 497-499. [9] A. Cameron y D. Taylor, en proc. institute of Basic Medical Scienses, Royal College of Surgeons of England , New york 1986, pp. 271-278. [10] T. Khan, M. Dauzvardis, y S. Sayers, brain research , 1991, pp. 139.145. [11] http://www.interempresas.net/plastico/Articulos /Articulo.asp?A=16574. [12] http://www.maquinariapro.com/materiales/fibradecarbono. [13] http://www.ehu.es/zorrilla/juanma/automovil/carbono.htm. [14] http://www.gneperu.com/productos.html. [15] http://www.maquinariapro.com/materiales/fibradecarbono. [16] Nota: Gran parte de las Referencias, y teoria del documento, fueron tomadas de: Chung, Deborah D. L. en carbon fiber composites 1994.