¿QUÉ ES LA FIBRA DE CARBONO?

Brea de petróleo

La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos y compuesta principalmente por carbono. Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir de la brea de petróleo, que se obtiene de este combustible fósil. Tiene unas propiedades mecánicas parecidas a las del acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Además, tiene mayor resistencia al impacto que el acero debido a su dureza.

ESTRUCTURA

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.

La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m³. Es conductor eléctrico y de alta conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.

CARACTERÍSTICAS

Las propiedades principales de este material son: 

• El tener muy elevada resistencia mecánica gracias a un módulo de elasticidad elevado. 
• El poseer baja densidad en comparación con otros materiales que se usaban anteriormente para las mismas funciones. 
• Su gran resistencia a agentes externos como pueden ser el agua o el fuego. 
• El poseer una gran capacidad de aislamiento térmico. 
• El tener resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, aunque solamente cuando se utiliza un diseño de fibras termoestable.
• Su elevado precio de producción, del que hablaremos a continuación.

Los motivos del alto coste de las piezas construidas con fibra de carbono se deben a varias causas: 

• La fibra de carbono es un polímero sintético en el que su producción es larga y costosa. Este proceso se realiza a altas temperaturas (entre 1100 y 2500°C) en un ambiente en el que solo está presente el hidrógeno. Dura semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se  quiera obtener, ya que pueden efectuarse técnicas para mejorar algunas de sus características después de obtener la fibra propiamente dicha. 
• Para crear la pieza que se quiere obtener se necesitan materiales termoestables que dificultan este proceso. Además, estas herramientas son complejas y muy especializadas, como el horno autoclave. 

Horno autoclave

Sus aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística son innumerables, de la misma forma  que en barcos y en bicicletas, donde su ligereza y propiedades mecánicas son muy importantes. A parte de sus usos técnicos también se está haciendo la fibra de carbono cada vez más común en otros artículos más habituales, los de consumo como patines, raquetas de tenis, ordenadores, cañas de pesca e incluso en joyería.

HISTORIA DE LA FIBRA DE CARBONO

Akio Shindo

La fibra de carbono como tal nació en 1958 a las afueras de Cleveland (EEUU) gracias a Roger Bacon. Para conseguirlo calentó filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Más tarde comprobó que este proceso era totalmente ineficaz ya que las fibras creadas solo estaban compuestas en un 20% en carbono y su fuerza y rigidez eran muy malas. En los 60s, Akio Shindo, un científico japonés, usó el poliacrilonitrilo como materia prima en lugar de los filamentos de rayón, consiguiendo un resultado final del 55% en carbono. En la década posterior se trabajo experimentalmente con la brea de petróleo y consiguió con ella obtener fibra de carbono de mucha mejor calidad. Esta tenía un 85% en carbono y una excelente resistencia a la flexión.

Poco a poco esta fibra ha ido desarrollándose más y más hasta poder ser lo que es ahora, una de las fibras más importantes de nuestro tiempo y del futuro próximo. Sus últimos desarrollos son confidenciales ya que este material genera mucha competencia entre las empresas del sector.

Poliacrilonitrilo

Filamentos de rayón

USOS PRESENTES

Antes de comenzar a nombrar las aplicaciones de la fibra de carbono vamos a comentar los diferentes tipos de esta, ya que según sea de uno u otro tienen unos usos diferentes.

Fibras de alta resistencia (HR, High Resistence)

Se caracterizan, como su nombre indica, por su resistencia frente a la rotura. Su desventaja es que no tienen un coeficiente de elasticidad muy alto.

Las fibras HR se usan principalmente en tejidos de refuerzo y en la industria aeronáutica civil. Parcialmente también se usa en la idustria aeronáutica espacial y militar, en proyectos como los cohetes Falcon de SpaceX que usa la NASA para abastecer la Estación Espacial Internacional (ISS en inglés).

Fibras de alto módulo (HM, High Module)

Estas fibras tienen como singularidad principal el ser muy elásticas y estables térmicamente. Además tienen una alta resistencia a la tracción, pero no son tan resistentes como las HR.

Las fibras HM tienen su aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieran una alta estabilidad térmica. También se usan en los cuadros de bicicletas de carbono (como la Specialized S-Works Epic 29), en los chasis de algunos coches (como el Ferrari LaFerrari) o en competiciones de motor como la Fórmula 1.

Fibras de modulo intermedio (III)

Este tipo de fibra de carbono puede definirse como el más equilibrado. No destaca en resistencia, estabilidad térmica, elasticidad o resistencia a la tracción, pero no es el peor en ninguno de estos apartados, por lo que es muy socorrida para funciones en las que se necesite un material que pueda sufrir cualquier tipo de fuerzas.

La utilización de las fibras de módulo intermedio se encuentra en la industria aeronáutica civil y militar, para aplicaciones de alta responsabilidad estructural. Se usan tanto en aviones de pasajeros (como el Airbus A350 XWB) como de combate (como el Eurofighter Typhoon).

En el siguiente vídeo aparece un reportaje de la fibra de carbono aplicada a la Fórmula 1.

USOS FUTUROS

La fibra de carbono tiene un futuro muy prometedor. Se está usando en muchos proyectos para el futuro próximo, entre los que se encuentran armas, barcos, automóviles, instrumentos musicales, etc. Todo esto se verá favorecido porque cada vez este material será más barato, resistente y elástico debido mejora de nuestro conocimiento en este campo científico.

En los últimos años se ha estado investigando mucho en esta fibra. Sus múltiples beneficios con respecto a los distintos materiales usados anteriormente y su precio (dificultad de fabricarlo) con respecto a los más punteros lo hacen muy apetecible.

En el siguiente vídeo se muestran unos nuevos violines que pueden competir con los mismísimos Stradivarius creados en fibra de carbono. Se está investigando mucho para poder alcanzar ese sonido celestial a un precio no tan desorbitado.

PROBLEMÁTICA

Problemática ambiental y económica

La fibra de carbono tiene muchas cosas positivas, pero si la miramos desde la perspectiva ambiental en realidad no es tan perfecta. En su proceso de fabricación se emplean distintos derivados del petróleo y eso de por sí puede ser un problema.

Desde los polímeros originales que se usan como materia prima, el material pasa por procesos de calentamiento al aire libre y en hornos, y recibe la adición de diversos químicos para ir deshaciendo los enlaces y removiendo los átomos de hidrógeno y nitrógeno. El uso de derivados del petróleo no sólo hace que su proceso de fabricación sea una fuente de contaminantes, sino que además encarece su precio, que hoy en día está por las nubes, siendo también un problema económico en caso de que se requiera  gran cantidad de este material.

No obstante ya se está investigando para solucionar el problema ambiental y disminuir el coste económico. Para ello, científicos del Laboratorio de Ingeniería de Materiales y Textiles, en Francia, se están planteando reemplazar su uso con otros materiales de propiedades similares como por ejemplo el lino.

El lino es una fibra vegetal que se utiliza para la elaboración de ropas, tapices y otros usos, destacando por ser muy fresco, ligero y resistente. Según numerosos estudios éste podría ser el reemplazo del futuro para sustituir a la fibra de carbono, fibra de vidrio y muchos plásticos. Si quieres saber más de esta noticia consulta el siguiente enlace: veoverde.com  

Efectos en la sociedad

A diferencia de otros materiales nuevos relacionados con la alta tecnología, la fibra de carbono no crea ninguna problemática social debido a la explotación laboral en su obtención (como es el caso del coltán), ya que este material se produce en países que cuentan con tecnología especializada y su fabricación requiere un alto coste. 

Precisamente, España es uno de los países que se encuentra involucrado en la producción de fibra de carbono, un sector que crea numerosos puestos de trabajo en diferentes plantas como la de la empresa Carbures, en Soria, que fabrica piezas para automóviles. Por ello podría decirse que este sector, lejos de presentar una problemática, es beneficioso para la sociedad además de crear riqueza.


En el siguiente enlace > elmundo.es < se muestra una noticia sobre MTorres, una empresa española puntera en el sector de la fabricación de fibra, que ha lanzado la máquina Torresfiberlayup, capaz de depositar sobre un «molde complejo» la fibra de carbono en diferentes capas y orientaciones con una precisión de décimas de milímetro. Las piezas que crea son utilizadas en el sector de la aeronáutica, ya que alrededor de un 50% de los elementos estructurales de un avión son de este material.

El funcionamiento de la Torresfiberlayup se muestra en el siguiente vídeo: