Estructura fibra de carbono

Características de la fibra de carbono

También llamada fibra de grafito o grafito de carbono, la fibra de carbono está hecha de hebras muy finas del elemento carbono. Las fibras de carbono tienen una gran resistencia a la tracción y son muy fuertes para su tamaño. También es un material muy ligero.

Las fibras de carbono son dos veces más rígidas y cinco veces más resistentes que el acero. Otra característica es que son muy resistentes químicamente y tienen tolerancia a altas temperaturas con baja dilatación térmica.

La fibra de carbono está hecha de polímeros orgánicos. Estos polímeros están formados por largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. Alrededor del 90% de las fibras de carbono se fabrican a partir de poliacrilonitrilo (PAN). El 10 por ciento restante se fabrica a partir del rayón o del proceso de la brea de petróleo.

Los gases, líquidos y otros materiales utilizados en el proceso de fabricación crean ciertos efectos, calidades y grados de fibra de carbono. La fibra de carbono de mayor calidad y con las mejores propiedades de módulo se utiliza en aplicaciones exigentes, como la industria aeroespacial.

En el proceso de fabricación, las materias primas, denominadas precursores, se transforman en largas hebras de fibras. A continuación, las fibras se tejen. También pueden combinarse con otros materiales que se enrollan en filamentos o se moldean en las formas y tamaños deseados.

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¿Por qué es tan resistente la fibra de carbono?

La fibra de carbono está hecha de filamentos cristalinos de carbono aproximadamente 100 veces más pequeños que un cabello humano (aproximadamente 0,0002-0,0004 pulgadas de diámetro). Los átomos de carbono se unen formando una cadena. La alineación de los cristales permite que la fibra sea excepcionalmente fuerte por sí sola.

¿De qué está hecha la fibra de carbono?

La fibra de carbono se fabrica a partir de polímeros orgánicos. Estos polímeros están formados por largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. Alrededor del 90% de las fibras de carbono se fabrican con poliacrilonitrilo (PAN). El 10% restante se fabrica a partir de rayón o brea de petróleo.

Resistencia de la fibra de carbono

Las fibras de carbono o fibras de carbono (alternativamente CF, fibra de grafito o fibra de grafito) son fibras de unos 5-10 micrómetros de diámetro y compuestas en su mayor parte por átomos de carbono. Las fibras de carbono presentan varias ventajas, como una gran rigidez, alta resistencia a la tracción, bajo peso, alta resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja dilatación térmica. Estas propiedades han hecho que la fibra de carbono sea muy popular en la industria aeroespacial, la ingeniería civil, el ejército y los deportes de motor, junto con otros deportes de competición. Sin embargo, son relativamente caras en comparación con otras fibras similares, como las fibras de vidrio o las fibras de plástico.

Para producir una fibra de carbono, los átomos de carbono se unen en cristales que están más o menos alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra, ya que la alineación de los cristales confiere a la fibra una elevada relación resistencia-volumen (haciéndola fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono se agrupan para formar una estopa, que puede utilizarse sola o tejida en un tejido.

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Las fibras de carbono suelen combinarse con otros materiales para formar un compuesto. Cuando se impregnan con una resina plástica y se hornean, forman un polímero reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado fibra de carbono) que tiene una relación resistencia-peso muy elevada, y es extremadamente rígido aunque algo quebradizo. Las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como el grafito, para formar compuestos reforzados de carbono-carbono, que tienen una gran tolerancia al calor.

Guía de espesores de fibra de carbono

La disponibilidad de fibras de carbono a finales de la década de 1950 condujo al desarrollo de materiales mejorados que ahora se conocen como compuestos de carbono-carbono (C/C). Estos compuestos son una familia de materiales formados por una matriz de carbono (o grafito) reforzada con fibras de carbono (o grafito). De este modo, las atractivas propiedades del carbono se combinan con la gran resistencia, versatilidad y tenacidad de los materiales compuestos. La familia C/C es única por ser el único compuesto elemental.

Los composites carbono-carbono van desde simples estructuras unidireccionales reforzadas con fibras hasta complejas estructuras tridimensionales tejidas. La variedad de fibras de carbono y las técnicas de tejido multidireccional disponibles en la actualidad permiten adaptar los materiales compuestos de C/C para satisfacer requisitos de diseño complejos. Mediante la selección del tipo de fibra, la disposición (o tejido de la fibra), la matriz y el tratamiento térmico del compuesto, las propiedades pueden adaptarse a diferentes aplicaciones.

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A principios de los años 60, se desarrollaron compuestos de carbono-carbono para aplicaciones aeroespaciales a altas temperaturas, como conos de ojiva y toberas de cohetes. Estos materiales compuestos pueden adaptarse para obtener una resistencia y una rigidez superiores a las de otras aleaciones metálicas de ingeniería y, a diferencia de los metales, pueden mantener estas propiedades a altas temperaturas, como se indica en la figura 1.

 

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