Todo sobre la fibra de carbono y cómo se hace

También se llama fibra de grafito o grafito de carbono, Fibra de carbon consiste en hebras muy finas del elemento carbono. Estas fibras tienen una alta resistencia a la tracción y son extremadamente fuertes para su tamaño. De hecho, una forma de fibra de carbono: la nanotubo de carbono—Se considera el material más fuerte disponible. Fibra de carbon aplicaciones incluye construcción, ingeniería, aeroespacial, vehículos de alto rendimiento, equipos deportivos e instrumentos musicales. En el campo de la energía, la fibra de carbono se usa en la producción de aspas de molinos de viento, almacenamiento de gas natural y celdas de combustible para el transporte. En la industria aeronáutica, tiene aplicaciones tanto en aviones militares como comerciales, así como en vehículos aéreos no tripulados. Para la exploración de petróleo, se utiliza en la fabricación de plataformas y tuberías de perforación en aguas profundas.

Datos rápidos: estadísticas de fibra de carbono

La fibra de carbono está hecha de polímeros orgánicos, que consisten en largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. La mayoría de las fibras de carbono (alrededor del 90%) están hechas del proceso de poliacrilonitrilo (PAN). Una pequeña cantidad (alrededor del 10%) se fabrica a partir de rayón o el proceso de brea de petróleo.

Los gases, líquidos y otros materiales utilizados en el proceso de fabricación crean efectos específicos, cualidades y grados de fibra de carbono. Fabricantes de fibra de carbono utilizan fórmulas patentadas y combinaciones de materias primas para los materiales que producen y, en general, tratan estas formulaciones específicas como secretos comerciales.

La fibra de carbono de más alto grado con el módulo más eficiente (una constante o coeficiente utilizado para expresar un grado numérico para que una sustancia posee una propiedad particular, como la elasticidad, se utilizan en aplicaciones exigentes como aeroespacial.

Crear fibra de carbono implica procesos químicos y mecánicos. Las materias primas, conocidas como precursores, se extraen en largas hebras y luego se calientan a altas temperaturas en un ambiente anaeróbico (sin oxígeno). En lugar de quemarse, el calor extremo hace que los átomos de fibra vibren tan violentamente que casi todos los átomos que no son de carbono son expulsados.

Una vez que se completa el proceso de carbonización, la fibra restante se compone de cadenas de átomos de carbono largas y fuertemente entrelazadas con pocos o ningún átomo de carbono restante. Estas fibras se tejen posteriormente en tela o se combinan con otros materiales que luego se enrollan con filamentos o se moldean en las formas y tamaños deseados.

Los siguientes cinco segmentos son típicos en el proceso PAN para la fabricación de fibra de carbono:

1. Hilado. El PAN se mezcla con otros ingredientes y se hila en fibras, que luego se lavan y estiran.
2. Estabilizante Las fibras experimentan alteración química para estabilizar la unión.
3. Carbonizante. Las fibras estabilizadas se calientan a temperaturas muy altas formando cristales de carbono fuertemente unidos.
4. Tratando la superficie. La superficie de las fibras se oxida para mejorar las propiedades de unión.
5. Dimensionamiento. Las fibras se recubren y se enrollan en bobinas, que se cargan en máquinas de hilar que tuercen las fibras en hilos de diferentes tamaños. En lugar de ser tejido en telas, las fibras también se pueden formar en compuesto materiales, utilizando calor, presión o vacío para unir las fibras con un polímero plástico.

Los nanotubos de carbono se fabrican mediante un proceso diferente al de las fibras de carbono estándar. Se estima que son 20 veces más fuertes que sus precursores, los nanotubos se forjan en hornos que emplean láseres para vaporizar las partículas de carbono.

La fabricación de fibras de carbono conlleva una serie de desafíos, que incluyen:

• La necesidad de una recuperación y reparación más rentable
• Costos de fabricación insostenibles para algunas aplicaciones: por ejemplo, a pesar de que se está desarrollando una nueva tecnología, debido a costos prohibitivos, el uso de fibra de carbono en la industria automotriz se limita actualmente a alto rendimiento y lujo vehículos
• El proceso de tratamiento de la superficie debe ser cuidadosamente regulado para evitar crear hoyos que causen fibras defectuosas.
• Se requiere un control estricto para garantizar una calidad constante
• Problemas de salud y seguridad, incluyendo irritación de la piel y la respiración.
• Arcos y cortocircuitos en equipos eléctricos debido a la fuerte electroconductividad de las fibras de carbono.

A medida que la tecnología de fibra de carbono continúa evolucionando, las posibilidades de fibra de carbono solo se diversificarán y aumentarán. En el Instituto de Tecnología de Massachusetts, varios estudios centrados en la fibra de carbono ya están mostrando Una gran promesa para crear nueva tecnología de fabricación y diseño para satisfacer la industria emergente demanda.

El Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica del MIT, John Hart, un pionero de los nanotubos, ha estado trabajando con sus estudiantes para transformar La tecnología para la fabricación, que incluye la búsqueda de nuevos materiales para ser utilizados en conjunto con impresoras 3D de grado comercial. "Les pedí que pensaran completamente fuera de los rieles; si pudieran concebir una impresora 3-D que nunca se haya hecho antes o un material útil que no se pueda imprimir con las impresoras actuales ", explicó Hart.

Los resultados fueron prototipos de máquinas que imprimieron vidrio fundido, helado suave y compuestos de fibra de carbono. Según Hart, los equipos de estudiantes también crearon máquinas que podían manejar la "extrusión paralela de polímeros de gran área" y realizar "escaneo óptico in situ" del proceso de impresión.

Además, Hart trabajó con el profesor asociado de química del MIT Mircea Dinca en una colaboración de tres años recientemente concluida con Automobili Lamborghini para investigar las posibilidades de nuevos materiales compuestos y fibra de carbono que algún día podrían no solo "permitir que la carrocería completa del automóvil se use como sistema de batería ", pero conducen a" cuerpos más ligeros y fuertes, convertidores catalíticos más eficientes, pintura más delgada y mejor transferencia de calor del tren de potencia [en general] ".

Con avances tan impresionantes en el horizonte, no es de extrañar que se proyecte que el mercado de fibra de carbono crezca desde $ 4.7 mil millones en 2019 a $ 13.3 mil millones para 2029, a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 11.0% (o un poco más) durante el mismo período de hora.

• McConnell, Vicki. "La fabricación de fibra de carbono." Mundo compuesto. 19 de diciembre de 2008
• Sherman, Don. "Más allá de la fibra de carbono: el siguiente material innovador es 20 veces más fuerte." Auto y Conductor. 18 de marzo de 2015
• Randall, Danielle. “Investigadores del MIT colaboran con Lamborghini para desarrollar un automóvil eléctrico del futuro. " MITMECHE / En las noticias: Departamento de Química. 16 de noviembre de 2017
• "Mercado de fibra de carbono por materia prima (PAN, paso, rayón), tipo de fibra (virgen, reciclado), tipo de producto, módulo, aplicación (Compuesto, no compuesto), industria de uso final (A y D, automotriz, energía eólica) y región: pronóstico global para 2029. " MarketsandMarkets ™. Septiembre de 2019