Propiedades, Estructura, Síntesis y Tipos de Fibras de Carbono

1. Fibra de Carbono
Alejandro Corredor – alejandrocorredor@usantotomas.edu.co
Estudiante de Ingeniería Mecánica Universidad Santo Tomas
Brayan Casas – brayancasas@usantotomas.edu.co
Estudiante de Ingeniería Mecánica Universidad Santo Tomas
Diego Gutiérrez – diegogutierrez@usantotomas.edu.co
Estudiante de Ingeniería Mecánica Universidad Santo Tomas
Resumen
La fibra de carbono es un material compuesto bastante reciente,
fundamentalmente son una serie de fibras sintéticas, las cuales poseen
propiedades ideales; son poco pesadas bastante resistentes, duras, conductoras y
duraderas. A pesar de sus increíbles propiedades, la fibra de carbono es un
material bastante costoso, puesto que para su fabricación se necesita de una serie
de procesos de alta calidad y costo, por esta razón es esencial realizar más
estudios acerca de su obtención y fabricación, con el fin de poder reducir sus
costos y así poder utilizarla con mayor frecuencia.
Palabras Claves
Fibra de carbono, compuesto, polímero, oxidación y pirolisis térmica.
Abstract
Carbon fiber is a fairly recent composite material essentially are a number of
synthetic fibers, which have ideal properties; They are tough enough little heavy,
hard, conductive and durable. Despite its amazing properties, carbon fiber is a
fairly expensive material, since for its manufacture requires a series of processes
of high quality and cost, for this reason it is essential to conduct more studies on its
production and manufacturing, in order to reduce costs and be able to use it more
frequently.
Key Words
Carbon fiber, composite, polymer, oxidation and thermal pyrolysis.

2. Introducción
La fibra de carbono es uno de los materiales más codiciados del mercado, sus
propiedades son ideales para muchas tareas, sobretodos para aquellas que
solicitan un material liviano y resistentes, suelen ser utilizadas en automóviles y
aviones, hasta la industria aeroespacial la ha utilizado para diversos proyectos.
Lastimosamente los avances que se han realizado acerca de este material a pesar
de ser bastante buenos y relevantes, no son suficientes para mejorar la calidad del
material en ciertos aspectos ni tampoco para reducir su precio de producción.
Para comprender un poco mejor los avances realizados, veremos un poco de la
historia del material y su evolución con el paso de los años.
Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la época de
fuerte trabajo de Thomas Edison, quien las preparó gracias a un proceso de
carbonización, que logró por el empleo de filamentos de otras fibras. [2]
En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de
Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN)
como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene
alrededor del 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 proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego
autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas
empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de
fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material
para entrar en el mercado americano con motores para aviones.
Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos,
demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del
motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo
que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un
desastre.
Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable,
Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica
respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante
grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de
carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de
equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se
han mejorado desde entonces.

3. Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias
primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una
brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras
contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la
flexión. [3]
Desarrollo
Estructura Fibra de Carbono [3]
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consiste en
láminas de átomos de carbono en un patrón hexagonal. La diferencia está en la
forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual
las láminas se apilan paralelas entre sí. Las fuerzas intermoleculares entre las
láminas son relativamente débiles, dando al grafito sus características blandas y
quebradizas.
En fibras de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan al
azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo
(PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea
de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas
superiores a 2.200°C. Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener alta
resistencia a la tracción, mientras que las fibras derivadas de la brea de mesofase
poseen un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad
térmica.
Síntesis de la Fibra de Carbono [1]
La fibra de carbono es codiciada por gran cantidad de empresas, pero su
producción no es mucha y es muy costosa, a continuación, se expondrán las
diferentes formas de obtener este material.
Pirolisis térmica del PAN (poliacrilonitrilo)
Como todos los polímeros, el PAN forma largas cadenas de moléculas, alineadas
para hacer el filamento continuo. Cuando se caliente el PAN en correctas
condiciones de temperatura, las cadenas PAN se juntan lado a lado, para formar

4. cintas de grafeno. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil
metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo.
El PAN o su copolímero es hilado utilizando la técnica de hilado húmedo. También
se emplea la técnica de hilado fundido a veces. El primer paso es estirar el
polímero de forma que quede paralelo a lo que será el eje de la fibra y se oxida a
200-300 ºC en aire, un proceso, que añade oxígeno a la molécula de PAN y crea
la estructura hexagonal. El polímero que antes era blanco, ahora es negro.
La mesofase líquida cristalina de alquitrán se utiliza para obtener fibras de alto
módulo. Petróleo, carbón mineral y policloruro de vinilo son las fuentes comunes
del alquitrán. Desde 1980 se obtienen fibra de carbono a partir de breas de
mesofase de alto módulo para aplicaciones que requieren fibras de muy altas
prestaciones.
Las fibras basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre 5 y 7 micras. Y
las del alquitrán 10-12 micras.
La fibra de carbono se clasifica por el número de filamentos, en miles, de que
consta la hebra. Una fibra 3k (3000 filamentos) es 3 veces más resistente que una
de solo 1k, pero también pesa 3 veces más.
Carbonización
Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de
carbonización: el PAN se calienta a 2500-2000 ºC en atmósfera sin oxígeno, se
alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas
delgadísimas, bidimensionales, y se logra una resistencia a la tracción de 5.650
N/mm2.
Grafitización
Si calentamos el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la
fibra de carbono: 531 000 N/mm2.
Se podrá tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados
en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que
darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la
pala de una hélice.

5. Tipos de Fibras de Carbono [1]
 La fibra de alto módulo
Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su
módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el
monocristal de “grafito” tiene un módulo de 1050 GPa. El módulo de
elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio.
 La fibra de alta resistencia a la tracción
Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con
valores superiores a 300 GPa.
 La fibra estándar
Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en
las anteriores; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa
como fibras cortas.
 La fibra de carbono 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, poli acetatos, etc. Presenta
una gran superficie específica y tamaño de poros muy uniforme. La fibra se
presenta en forma de fieltros o telas.
 Fibra de carbono crecida en fase de vapor
Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial
químico en fase de vapor. Por su variedad de tamaños son un puente entre
la FC convencional y la nanofibra.
Referencias
 [1] Pascual Bolufer, La fibra de carbono, un material para el siglo 21,
http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/16574-La-fibra-de-carbono-
un-material-para-el-siglo-21.html
 [2] Maquinariapro, Origen Fibra de Carbono
http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-carbono.html
 [3] Tecnología de los Plásticos, Fibra de Carbono,
http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.co/2011/11/fibra-de-
carbono.html