Kevlar

Fibra de carbono

La fibra de carbono se incluye en el grupo de los materiales compuestos, es decir, aquellos que están hechos a partir de la unión de dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con propiedades y cualidades superiores, que no son alcanzables por cada uno de los componentes de manera independiente. En el caso particular de la fibra de carbono, básicamente se combina untejido de hilos de carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico duro, Las fibras de carbono son cuatroveces más flexibles que las mejores aleaciones de acero y pesan una cuarta parte.

Tejido de carbono
El tejido de fibras de carbono procede de una mezcla de polímeros, el más utilizado es el PAN (poliacrilonitrilo) que por ser la materia prima se llama precursor y que normalmente se combina con otros polímeros: metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo, todos derivadosdel petróleo, que es carbono1 concentrado, proveniente de restos de materia orgánica(fósiles).
En particular, el PAN es una fibra de plástico formada por largas cadenas de moléculas de carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrógeno en forma de escalera. Cuando se calienta el PAN en correctas condiciones de temperatura,las cadenas de moléculas de carbono se juntan mientras los demás
elementos se separan,los átomos de carbono del polímero cambian de distribución y forma una estructura estable de anillos fuertemente unidos que soportan los unos a los otros. Mediante un nuevo calentamiento, los anillos se juntan en ‘listones’ de hexágonos de átomos de carbono muy flexibles, a diferencia del grafito, cuya estructura permanece plana.
La unión flexible de los listones evita que se deslicen, como pasaen la estructura plana del grafito, lo que resulta en un notable incremento en la resistencia del material. Los hilos de PAN son trefilados en filamentos cinco veces más delgados que un cabello humano y están compuestos
entre 92 y 100 por ciento de átomos de carbono, según sean las propiedades que se busquen.
En síntesis, la fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno,nitrógeno y otros elementos diferentes al carbono de la fibra precursora, dejando solo el carbono en el material. Algunos fabricantes también utilizan precursores de rayón, proveniente de la celulosa y precursores de alquitrán, relativamente más baratos que el PAN pero menos efectivos.

Cada tipo de precursor tiene su técnica de procesado pero, en general, todos siguen una misma secuencia, teniendocomo base el proceso de fabricación con PAN, se pueden distinguir las siguientes etapas:

• Estabilización: durante esta fase las fibras de PAN son sometidas a temperaturas entre los 200ºC y 300 ºC mientras que son estiradas y alargadas a través de un horno de oxidación, con el fin de darles la orientación molecular requerida para que puedan tener estabilidad dimensional y de esta manera evitarque se fundan en el siguiente proceso.

• Carbonización: una vez las fibras han adquirido estabilidad, son sometidas a temperaturas superiores a los 1.000ºC bajo una atmósfera inerte, es decir, en la que ningún agente externo interfiere en el proceso. Durante este periodo de calentamiento los átomos de nitrógeno e hidrógeno desaparecen y los anillos hexagonales de carbono puro se orientan a lolargo de toda la longitud del hilo.

• Grafitización: es un nuevo tratamiento de calentamiento a temperaturas, por encima de 2000ºC, el tamaño de los cristales de carbono aumenta y mejora la orientación de los anillos en la fibra.

• Tratamiento de superficie: finalmente, la fibra pasa a través de una cámara donde se le aplica un producto catalizador que promueve la adhesión de la fibra a la...