¿Qué es la fibra de carbono?

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?

Fibra de carbono

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.

Estructura química de este compuesto de carbono

Estructura química de la fibra de carbono

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

Propiedades 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?

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.

Según su módulo de resistencia a roturas

Estamos hablando del Módulo de Young (1):

  • 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?

Cómo se fabrica la fibra de carbono

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.

Algunos de los materiales que se utilizan para esta fabricación de piezas de composite son:

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

Piezas de fibra de carbono para coches

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

Fibra de carbono forjada

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

Bicicletas de fibra de carbono

¿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?

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