Los numerosos usos y aplicaciones interesantes de los compuestos de fibra de carbono
Los numerosos usos y aplicaciones interesantes de los compuestos de fibra de carbono
¿Qué son los compuestos de fibra de carbono?
Los materiales compuestos consisten en una fibra de refuerzo encapsulada en una resina polimérica. Hay varias formulaciones de resina y tipos de fibras que se utilizan en los compuestos, pero la fibra de carbono se destaca como un componente que se encuentra en muchos productos de alto-rendimiento. En aplicaciones donde tiene prioridad reducir el peso y al mismo tiempo crear una alta resistencia, la fibra de carbono es la opción de refuerzo en muchas estructuras compuestas avanzadas.
La fibra de carbono se encuentra en estructuras compuestas donde la resistencia y el peso ligero son una ventaja; se puede encontrar en autos deportivos y de carreras de alta gama-, embarcaciones de alto-rendimiento, aviones y vehículos aeroespaciales, equipos médicos y artículos deportivos, incluidos esquís, tablas de snowboard, raquetas de tenis, palos de golf y cientos de otros productos.
Las aplicaciones de compuestos de fibra de carbono están creciendo a un ritmo más rápido que la economía general a medida que aumenta la necesidad de estructuras compuestas avanzadas y livianas. Los economistas predicen un aumento significativo de las oportunidades de la industria a medida que avanza la tecnología y crecen las aplicaciones. ¿Le interesa saber cómo los compuestos de fibra de carbono crean productos de alto-rendimiento o su papel en el ahorro de energía mediante la reducción-de peso? Obtenga más información sobre los usos de la fibra de carbono y cómo participar en el futuro de la tecnología compuesta.
¿Qué es la fibra de carbono?
La fibra de carbono, también conocida como fibra de grafito, es un material resistente y liviano elaborado a partir de cientos de filamentos de carbono individuales que son ocho veces más delgados que un cabello humano. Los filamentos están compuestos por átomos de carbono unidos entre sí formando largas cadenas. En peso, un compuesto de fibra de carbono es cinco veces más resistente que el acero y dos veces más rígido debido a su alta resistencia a la tracción.
¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?
Los filamentos de carbono comienzan con un plástico-a base de acrílico conocido como poliacrilonitrilo (PAN). Un proceso de varios-pasos comienza calentando y hilando las fibras de poliacrilonitrilo (PAN) en filamentos. Luego, estos filamentos se calientan a temperaturas aún más altas, de alrededor de 3000 °F, y se someten a oxidación y carbonización que elimina elementos distintos del carbono y alinea los átomos de carbono en cristales muy-comprimidos. Las fibras de carbono resultantes reciben luego un tratamiento superficial, se ensamblan en haces y se envuelven en carretes. Luego, estas fibras se agrupan en haces más grandes conocidos como "estopa" de carbono o se tejen en telas.
¿Cómo se utiliza la fibra de carbono?
Las hebras de estopa de fibra de carbono o telas tejidas se saturan con una resina polimérica, como epoxi, y se les da forma en un molde. La resina curada encapsula los filamentos de carbono y crea una matriz rígida con la forma deseada del producto. La combinación de la matriz de resina (epoxi) y la fibra de refuerzo (carbono) crea un material compuesto. Las características distintivas de los compuestos reforzados con fibra de carbono son su ligereza, rigidez y alta resistencia a la tracción.
El amanecer de la fibra de carbono
La historia de la fibra de carbono se remonta a finales del siglo XIX, cuando Thomas Edison utilizó fibras de carbono como filamentos para los primeros experimentos con bombillas. Sin embargo, no fue hasta la década de 1950 que se produjeron fibras de carbono como material de alta-resistencia.
El uso de fibra de carbono como componente compuesto comenzó en 1958. El Dr. Roger Bacon, de Union Carbide, creó fibras de carbono viables calentando hebras de rayón a aproximadamente 3000 grados F hasta que se carbonizaron. Este proceso fue el precursor del método moderno de producción de fibra de carbono. La década de 1960 vio la primera producción comercial de fibras de carbono utilizando el proceso desarrollado por Union Carbide. Se reconoció el potencial de las fibras de carbono como refuerzo compuesto y Rolls Royce comenzó a incorporarlas en los componentes de los motores a reacción.
En la década de 1970, la industria aeroespacial impulsó avances en la tecnología de compuestos y las aplicaciones de la fibra de carbono quedaron mejor documentadas y refinadas. Había comenzado la carrera para aplicar esta tecnología a estructuras donde era importante reducir el peso y aumentar la resistencia. Debido a que la fibra de carbono en bruto cuesta más que otros refuerzos de fibra, se adaptó a aplicaciones críticas donde el costo era secundario al rendimiento.
En la década de 1980, se produjo un impulso significativo a los compuestos de fibra de carbono cuando estos materiales comenzaron a abrirse camino en la industria de artículos deportivos. Los esquís, las tablas de snowboard, las raquetas de tenis, los palos de golf, las cañas de pescar y los cuadros de bicicletas comenzaron a incluir componentes de fibra de carbono por sus características de ligereza y alta-resistencia. En el sector comercial, las industrias automotriz, de carreras y marina comenzaron a experimentar con fibra de carbono para reducir el peso de los vehículos y mejorar el rendimiento. Al mismo tiempo, las aplicaciones aeroespaciales y de defensa estaban avanzando en los conocimientos de ingeniería-para la aplicación de compuestos de fibra de carbono en las aplicaciones de mayor rendimiento.
En la década de 1990, el uso de compuestos de fibra de carbono creció a medida que los fabricantes encontraron formas de reducir costos y mejorar la calidad de las fibras de carbono. Esto condujo a aplicaciones más amplias, incluso en los sectores de la construcción y la energía eólica.
La fibra de carbono, como compuesto básico, se volvió popular en la década de 2000. Este material ya no se limitaba a aplicaciones-de alto nivel, sino que se utilizaba en una amplia gama de industrias, desde electrónica de consumo hasta infraestructura. Durante las siguientes dos décadas, los compuestos avanzados se utilizaron en aplicaciones cada vez más destacadas-como los aviones Boeing 787 y Airbus A350. La industria automotriz ha adoptado tecnología de compuestos inspirada en las carreras de motor-y embarcaciones de alta-embarcaciones de todo tipo utilizan compuestos de carbono como estructuras primarias. La llegada de herramientas de ingeniería como el análisis de elementos finitos y la dinámica de fluidos computacional está impulsando un rendimiento y aplicaciones cada vez mayores para estos materiales compuestos.
Algunas aplicaciones realmente interesantes de la fibra de carbono
Hoy en día, aparecen regularmente aplicaciones para compuestos de fibra de carbono. Si bien en el pasado la fibra de carbono era exótica y costosa, ahora se puede encontrar fibra de carbono en una amplia gama de industrias y productos como:
Marina
Los compuestos de fibra de carbono han sido el pilar de las embarcaciones de carreras de alto-rendimiento durante varias décadas. Los barcos de la Copa América son ejemplos de cómo llevar la tecnología al límite, con estructuras de fibra de carbono que rivalizan con la construcción aeroespacial. Los barcos de producción están integrando cada vez más la fibra de carbono en el procesamiento de infusión al vacío con el objetivo de producir una embarcación más ligera y rápida.
Automotor
La fibra de carbono se ha adoptado cada vez más en la fabricación de automóviles. Estos materiales se utilizaron por primera vez en los coches de Fórmula 1 y de Indy, que fueron los primeros en adoptar la tecnología aeroespacial. Luego pasó a los exóticos autos deportivos-de alta gama y actualmente se está abriendo paso hacia los autos de producción. "Aligerar el peso" es un objetivo importante del diseño de automóviles para mejorar el rendimiento y reducir el impacto ambiental. NASCAR recientemente hizo la transición a carrocerías compuestas para los autos de la Copa. Estas nuevas carrocerías han demostrado ser tan resistentes que han cambiado el estilo de las carreras porque los coches pueden tolerar mayores abusos.
Transporte
La industria del transporte por carretera ha utilizado componentes compuestos durante décadas para mejorar la aerodinámica y la economía de combustible. Hay una revolución pendiente en el diseño de camiones pesados que incorporará una aerodinámica muy mejorada y un peso reducido. Estas innovaciones se basan en componentes compuestos y en un diseño para reducir la resistencia aerodinámica. Se estima que los nuevos diseños fabricados con componentes compuestos ligeros y elegantes pueden generar ahorros de combustible de más de 50 mil millones de dólares al año.
Aeronaves, Aeroespacial y Defensa
En todo el espectro, desde aviones comerciales, aviones militares, vehículos de lanzamiento y naves espaciales orbitales, los compuestos de fibra de carbono desempeñan un papel cada vez más importante en el cumplimiento de los objetivos de rendimiento. La ingeniería de compuestos se ha desarrollado bien en estos campos y periódicamente se anuncian innovaciones continuas. Se han asignado enormes cantidades de fibra de carbono para proyectos clasificados de tecnología avanzada militar y de defensa. En el ámbito comercial, decenas de aviones eléctricos de despegue-vertical (VTOL) acaban de obtener la certificación o están en desarrollo. Todos estos nuevos aviones utilizan compuestos de carbono como material estructural primario.
Artículos deportivos
Los compuestos de fibra de carbono se encuentran en todo el mundo de los artículos deportivos debido a su resistencia y peso ligero. Esto incluye: palos de hockey, raquetas de tenis, arcos de tiro con arco, palos de golf y cañas de pescar, esquís, tablas de snowboard, tablas de wakeboard, kitesurf y tablas de foil. Todos utilizan fibra de carbono junto con cascos de remo y bicicletas.
Medicamento
El campo médico es otra industria donde la fibra de carbono ha tenido un impacto significativo en los últimos años. La fibra de carbono es transparente en las imágenes de rayos X-, lo que ha llevado a su uso en una amplia gama de equipos de imágenes y rayos X-. La fibra de carbono también se utiliza en prótesis, que son fuertes, ligeras y cómodas de llevar y utilizar.
