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Fibra de Carbono

La fibra de carbono es el material sintético que está revolucionando todos los campos de la ingeniería. A continuación repasaremos todos los aspectos importantes del tejido de carbono: composición, invención, usos, fabricación, cualidades… ¡No pierdas detalle de todo lo que te vamos a contar!

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¿Qué es La Fibra de Carbono?

La fibra de carbono (en inglés, carbon fiber) alternativamente denominada fibra de grafito, es un tejido duradero y flexible compuesto principalmente de átomos de carbono. Además, la fibra de carbono de alta resistencia es un material no metálico de tipo polimérico.

fibra de carbono textura

Este se obtiene a partir de otro llamado poliacrilinitrilo, pues esto quiere decir que este tipo de material está formado por una cantidad finita de macromoléculas. Estas le confieren un alto peso molecular en hebras muy finas de carbono, las cuales se tuercen y agrupan para formar un hilo con varias hebras.

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Estructura y Propiedades del Filamento de Fibra de Carbono

Los átomos de carbono están unidos entre sí formando cristales microscópicos (anillos hexagonales aromáticos). Estos están aproximadamente alineados en paralelo a lo largo del eje de la fibra.

Esta alineación del cristal hace esta fibra sea destacablemente fuerte para su visible tamaño. Para formar un simple filamento con un espesor de 5–8 micrómetros, gran cantidad de fibras de carbono deben entrelazarse, puede ser utilizado por sí mismo o como tejido en una tela.

Algunas de las propiedades generales de las fibras de carbono, son un bajo peso, una alta flexibilidad, alta resistencia, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica. Debido a esto último, puede adoptar muchas formas y cuenta con una gran absorción de energía.

Además  presenta  solemnes beneficios de la fibra de carbono como la resistencia a la corrosión, a la humedad, a la formación de metal-carburos. Presenta un considerado aspecto elegante y una textura de tejido que puede proyectar una fibra de carbono de colores y fastuosidad en su color negro brillante.

En cuanto a su densidad, si comparamos esta propiedad con otro tipo de elementos como el acero podemos calificar que posee una considerable baja densidad. Al ser esta 4,5 veces menor que el acero, es idónea para fines que requieran poco peso. Sin embargo hay gran contraste en su resistencia, es casi 3 veces superior a la del mismo elemento comparado anteriormente.

¿Cómo se Obtiene la Fibra de Carbono?

Las fibras de carbono se combinan con otros materiales para formar un compuesto, básicamente se combina un tejido de hilos de carbono, el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica y actúa uniendo las fibras, transfiriendo la carga por todo el material y protegiéndolas.

Las fibras poseen un contenido mínimo en carbono del 92% en peso,en referencia a cómo se trabaja la fibra de carbono:

  • Se genera por la composición de quema controlada del oxígeno, nitrógeno y otros elementos diferentes dejando solo el carbono en el material.
  • Se oxida el polímero a 200-300 ºC en aire, un proceso que crea la estructura hexagonal. El polímero pasa de ser blanco a ser negro.
  • Una vez que las fibras han adquirido estabilidad, se someten a temperaturas mayores de los 1.000ºC. A lo largo de este periodo de calentamiento los átomos de hidrógeno y nitrógeno desaparecen y los anillos hexagonales de carbono puro se orientan a lo largo de la longitud del hilo.
  • Grafitización, otro tratamiento de calentamiento pero esta vez  a temperaturas, por encima de 2000ºC.  El tamaño de los cristales de carbono aumenta y mejora la orientación de los anillos en la fibra.
  • Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma, para conseguir el producto acabado.
  • Tratamiento de la superficie. La fibra pasa a través de una cámara donde recibe un producto catalizador que promueve la unión de la fibra a la resina.
  • Para finalizar la estética, es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que luego se bañarán en una resina epoxi en un molde.

usos de la fibra de carbono

Usos y Aplicaciones de la Fibra como Tejido de Carbono

La fibra de carbono es moldeable al momento de su fabricación, esto sirve para fabricar mayormente cualquier diseño en una sola pieza, lo que le proporciona un gran valor en el campo de la aeronáutica.

Debido a que este no pierde su forma con el tiempo, presenta relevante resistencia a los cambios bruscos de temperaturas. No es un conductor eléctrico, no es inflamable y es fibra de carbono aislante. Esto significa que es capaz de proteger lo que esté dentro de la misma tanto del frío como del calor del exterior, siendo capaz de mantenerse en su estado original en condiciones extremas.

fibra de carbono madera

Estos son algunos de los grandes beneficios de la fibra de carbono ya que te permiten una menor preocupación a la hora de su uso en diversos campos.

Equivalentemente es empleada para la fabricación de barcos y bicicletas, donde se destacan como fundamentales sus propiedades mecánicas y su destacado rasgo de ligereza. Muchos ordenadores portátiles, trípodes e incluso cañas para la realización de tareas pesqueras también presentan este material en su composición.

Resultado de imagen de vinilo de carbono 3D

En el mundo del automóvil se trata de evolucionar y seguir mejorando en todos sus aspectos. La fibra de carbono en el coche está cada vez más presente , últimamente también está llegando a coches más convencionales.

En algunas ocasiones su uso es únicamente  estético como con el vinilo de carbono 3D y no afecta al rendimiento. También hay deportivos que buscan la ligereza y resistencia de este material para mejorar su comportamiento dinámico.

coche fibra de carbono

Las compañías que eligen el uso de las piezas construidas con fibra de carbono  obtienen el beneficio de disminuir peso manteniendo el nivel de dureza requerido en las piezas en las que se emplean estos tipos de materiales.

Un Poco de Historia: La Invención de la Fibra de Carbono

En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono.

En este descubrimiento de la fibra de carbono , resultó que estaban fabricadas mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Pero este proceso resultó ser ineficiente, las fibras como resultado sólo contenían un 20% de carbono y no presentaban buenas propiedades de fuerza y de rigidez.

historia de la fibra de carbono

Continuaron las investigaciones y poco más tarde obtuvieron fibras que contenían hasta un 55% de carbono. El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido.

El Ministerio de Defensa del Reino Unido patentó el proceso y luego autorizó a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del carbono para entrar en el mercado americano con motores para aviones,  parecía un gran triunfo tecnológico pero en 1968 se convirtió en un desastre dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable.

invencion de la fibra de carbono

A principios de la década de los 70, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de la transformación del petróleo.  Con lo que consiguieron que estas fibras presentasen alrededor del 85% de carbono además de una excelente resistencia a la flexión, velocidad de producción y calidad del producto.

Precio de Venta de la Tela de Carbono

Aquí entra en juego la cantidad de inversión en I+D que cada marca quiera y pueda realizar junto a las marcas suministradoras de carbono. Por ejemplo, filamentos más finos pero más resistentes dan como resultado un cuadro con espesores de pared más delgados, menos peso, pero con un proceso de desarrollo y producción bastante más costoso.

En gran medida el precio esta relacionado con el tipo y textura de la fibra de carbono además dela finalidad de la misma. El precio final puede situarse en un parcial de 5€-30€ haciendo referencia a precios elevados en compras a grandes escalas.

comprar fibra de carbono a la venta

Aunque sea verdad que éste precio ha disminuido considerablemente en éstos últimos años, la fibra de carbono sigue siendo un material bastante caro de fabricar y por tanto de adquirir. Los materiales necesarios como apoyo para crear la fibra de carbono final, más sus procesos de mejora y mantenimiento son algunos de los factores que elevan desorbitadamente el precio de este material

Tipos de Fibra de Carbono

La llamada fibra de carbono forjada, es un método patentado y exclusivo del mundo aeronáutico. Este método se emplea para la fabricación de piezas y es básicamente un sistema de compresión que permite la orientación estratégica de las fibras del material. Esto es especialmente útil para obtener piezas complejas.

Con una industria aeronáutica centrada en la reducción de costes de mantenimiento, de operación, encaminada a la reducción de peso, aumento de prestaciones y alcance/tiempo de vuelo, las piezas fabricadas con materiales compuestos representan cada vez un mayor porcentaje del total de componentes del avión. Esta llega a representar el 50% del total de los componentes de un avión.

La experiencia previa un fabricante con el 777 ha demostrado que tras más de 565 aviones entregados y más de 10 años de servicio continuo, no ha sido necesario reemplazar ningún componente estructural fabricado con materiales compuestos, debido a la baja capacidad de corrosión y alta resistencia a la fatiga.

Resultado de imagen de tipos de fibras de carbono avione

En cuanto a donde comprar fibra de carbono, departamentos como clip carbono hay diversos tipos de estas fibras dependiendo de las diferentes temperaturas de calentamiento que se le da a la fibra por ejemplo :

  • De alto módulo: Es la más rígida y requiere la mayor temperatura en el tratamiento.
  • De alta resistencia a la tracción: Es la más fuerte y se carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia a la tracción.
  • Fibra de carbono o fibra estándar: Es la más económica, la rigidez es menor que en las anteriores pero la resistencia es buena y posee una  temperatura de tratamiento  más baja.
  • Activada: Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados, se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos
  • Crecida en fase de vapor: Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor

¿Qué Fibra de Carbono es Mejor?

Algunas curiosidades sobre la fibra de carbono es que aún precisa de mano de obra humana, para fabricar cualquier cuadro o componente que incluya fibra de carbono es necesario que un operario le haya dado forma previamente a la fibra.

Los fabricantes son capaces de producir cada día más tipos distintos de filamentos, mezclando con otros componentes y según cuál sea ese otro material se puede lograr un grosor de filamentos menor con una rigidez igual o mayor.

Un cuadro de alta gama suele contener habitualmente hasta 3 tipos de carbono diferentes, con un comportamiento más rígido o más elástico ante las distintas cargas, o más elasticidad según la zona del cuadro en la que se incorporan.

calidad precio fibra de carbono

Dependiendo del tipo de fibra de carbono será necesaria mayor o menor cantidad de resina para su construcción, menos resina cuanto mayor módulo tiene, lo que también se traduce en menos peso, más resina significa más absorción y flexibilidad, motivo por el que un cuadro de carbono con fibras más económicas y más resina suele ser más cómodo.

Podemos señalar dos tipos de fibra de carbono: Las de alto módulo y las de alta resistencia. Las primeras destacan en elasticidad, las segundas en resistencia a las roturas, uno de los puntos negros de algunas fibras de carbono.

Todas las Ventajas de Usar Fibra de Carbono

Como  ventajas, la más conocida de todas es la ligereza, precisamente la fibra de carbono al ser tan resistente, nos permite usar una menor cantidad de material para la misma resistencia Al usar menos material, y a ser éste de una baja densidad, permite ahorrar en el cómputo global.

Resultado de imagen de tipos de fibras de carbono

También es un material de alta resistencia  a los agentes externos. La fibra de carbono se trata con resinas y barnices resistentes pero presenta la ventaja, por ejemplo frente a una pieza metálica, de no presentar corrosión, el módulo de elasticidad frente a piezas metálicas también es superior.

En el campo de los automóviles, su ligereza permite que el conjunto del coche resulte menos pesado y, por tanto, que no haga falta utilizar mecánicas de mayor tamaño y mayor consumo, a su vez, esas mecánicas de menor tamaño también redundan en un peso inferior.

tubos rollos fibra de carbono

Fibra de Carbono VS Acero

Por ejemplo, al tacto si tocamos un objeto realizado en acero y otro en fibra de carbono lo normal es que pensemos que el acero es mucho más resistente. Esto se debe a que es un material que a primera vista parece mucho más duro y resistente, mientras que  la fibra de carbono al tacto parece plástico muy fino y da la sensación de que se va a romperse mucho antes.

El acero está considerado un material desfasado, de hecho, las principales marcas hace años que abandonaron la fabricación de cuadros de acero para sus gamas medias y altas… En la mayoría de los casos también para las bajas. Sin embargo, aún pueden encontrarse en el mercado bicicletas fabricadas con acero.

bicicleta marotias

La principal cualidad de los cuadros de bicicleta de acero es que son más baratos, tienen una mayor durabilidad que el aluminio y son más fáciles de reparar en caso de abolladura o perforación.

La fibra de carbono es un material mucho más caro que el acero, pero se adapta a prácticamente cualquier geometría. Debido a esto, es  por lo que en la alta competición haya cada vez más bicicletas con tubos curvos o con formas que hasta hace unos años eran imposibles de fabricar.

bicicleta fibra de carbono

Se trata de un material que se contrae y se expande en función de la tensión y los kilos que tenga que absorber en cada momento. Por eso las bicicletas de carbono resultan más cómodas para pedalear en trazados irregulares y largas jornadas por la carretera. Además, no tiene el problema  del acero ante la corrosión y su durabilidad es mayor.

De ahí que algunas marcas ofrezcan garantía de por vida ante fatiga de los materiales en sus modelos con cuadro de carbono.

Fibra de Carbono VS Kevlar

Sus principales diferencias se pueden apreciar en la composición de la fibra de carbono. Esta es de fibra sintética y presenta propiedades similares a las del acero frente al Kevlar que es de fibra Aramida, con propiedades flexibles y puentes de hidrógeno.

Comprar kevlar y fibra de carbono presentan diversas similitudes, son dos materiales compuestos modernos fuertes y ligeros. Se utilizan con frecuencia en situaciones extremas que requieren un alto rendimiento y resistencia, como la aviación y una armadura de alto impacto.

kevlar fibra de carbono

A pesar de que a menudo se utilizan juntos, los dos materiales difieren en algunos aspectos importantes. La fibra de carbono es una tela, tejida a partir de muchas hebras delgadas de grafito.

El Kevlar , por otro lado , está construida en un nivel microscópico , el encadenamiento de las moléculas hechas por el hombre en un cristal polímero rígido, la solución resultante se puede girar en hebras o se vierte como un líquido.

Resultado de imagen de Kevlar

Tanto de fibra de carbono y Kevlar son muy fuertes, pero de manera ligeramente diferente. Kevlar es extremadamente rígida. La fibra de carbono es generalmente menos resistente a la perforación de fuerzas debido a su construcción. Además, apenas se ve afectada por las altas temperaturas, algo que puede debilitar Kevlar.

Los componentes de fibra de carbono son ligeros, ya que sus construcciones pueden ser producidas con espesores muy bajos. Eso sí, siempre que no esté obligado a ser particularmente fuerte.  La fibra de carbono es por lo general el material de elección para los fabricantes de fuselajes de avión ligero y coches de carrera.

Cuando se requiere mayor resistencia, una capa de Kevlar se pegará en la cáscara de fibra de carbono para reforzarla, como en la construcción de equipos de seguridad.

fabricacion de la fibra de carbono

Videotutorial: Fabrica tu Propia Fibra de Carbono

Para finalizar este artículo, te mostramos dos videotutoriales diferentes para crear tus propias piezas de fibra de carbono: