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Algunas estructuras presentadas por las fibras de carbono |
Las fibras de carbono o fibras de carbón (FC) son sólidos que presentan una morfología fibrosa en forma de filamentos, o una trenza de éstos, y con un contenido mínimo en
carbono del 92 % en peso. Las FC se obtienen por carbonización (1200–1400
ºC) de fibras orgánicas naturales o sintéticas, o de fibras procedentes de precursores orgánicos. En la mayoría de los casos, las fibras de carbono permanecen como carbón
no grafítico. Por tanto en término de fibras de grafito solo está justificado cuando las fibras de carbono (siempre y cuando sean grafitizables) han sido
sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (2000–3000 ºC) que les confiere un orden cristalino tridimensional que puede observarse mediante difracción de rayos X.
Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se deben a Edison, el cual preparó
fibras de carbono por carbonización de filamentos de fibras de bambú (celulosa) y fueron utilizadas en la preparación de filamentos para lámparas incandescentes. Con posterioridad habría que esperar hasta 1960 hasta que Union Carbide desarrollo un procedimiento industrial de obtención de fibras continuas de carbono de alto módulo de Young a partir de fibras de rayón. En 1966 fibras de carbono de alto módulo y tensión de ruptura fueron obtenidas a
partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo). En esta época también se desarrollaron FC obtenidas a parir de breas de carbón y petróleo y de resinas fenólicas, sin embargo estas FC presentan
propiedades mecánicas inferiores y se comercializan como fibras de carbono de uso general. En los años 1980s se preparan FC a partir de breas de mesofase de ultra-alto módulo que se utilizan en un número limitado de aplicaciones que requieren
fibras de muy altas prestaciones.
Aunque existe una gran variedad de FC basadas en los distintos precursores, procesos
químicos y tecnológicos, su preparación conlleva las siguientes etapas comunes:
(i) Hilado de las fibras a partir de una disolución o fundido:
(ii) Estabilización de las fibras hiladas mediante pre-oxidación o estabilización
térmica, para evitar que la fibra se funda en el posterior proceso de carbonización
(iii) Carbonización en atmósfera inerte (1200 – 1400 ºC).
Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de
carbono de uso general (FCUG). Para obtener fibras de carbono de altas prestaciones (FCAP), fibras de carbono conductoras (FC) o fibras de grafito (FG) es necesario someter las FC a tratamientos térmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los 2000 y los 3000 ºC.
En muchos casos también es necesario someter las fibras a un tratamiento superficial
(generalmente de oxidación que generan grupos superficiales oxigenados en la superficie de las fibras que aumentan su mojabilidad) para mejorar la adhesión a la matriz.
Atendiendo a sus propiedades mecánicas las FC pueden clasificarse en:
Fibras de ultra alto módulo (UHM). Son aquellas que presentan un módulo elasticidad superior a los 500 Gpa (i.e. < 50% del módulo elástico del monocristal de grafito, 1050 Gpa).
Fibras de alto módulo (HM). Presentan un módulo de elasticidad superior a 300 Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del 1%.
Fibras de alta fuerza (HT). Presentan valores de resistencia a la tensión superiores a 3 Gpa y con relaciones resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.
Fibras de módulo intermedio (IM). Presentan valores del módulo de tensión superiores a 300 Gpa y relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de 0.01.
Fibras de bajo módulo. Son FC de estructura isótropa, con valores bajos del modulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas.
En relación a los precursores utilizados para la obtención de FC las mas importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón; Fibras de carbono a partir de PAN (poliacrilonitrilo), hoy en día este es el precursor más importante para la fabricación de FC y del que se obtienen la mayoría de las
fibras industriales; Fibras de carbono a partir de breas.
Las fibras de carbono activadas, se obtienen mediante carbonización y activación física o química de distintos precursores (breas, rayon, poliacetatos, resinas fenólicas, etc.). Se
caracterizan por presentar una gran superficie específica, tamaño de poros muy uniforme y velocidades de adsorción/deserción unas 100 veces superior a la de los carbones activos. Estas fibras también se pueden obtener en forma de telas o
fieltros.
Otro tipo de fibras que difiere de las anteriores en cuanto a sus características y método
de obtención son las fibras de carbono crecidas en fase de vapor (vapour ground carbon fibres VGCF). Estas fibras se obtienen mediante un proceso catalítico de deposito químico en fase de vapor.
Aunque de tamaño mucho menor que las anteriores, estas FC presentan una gran variedad de tamaños que van desde unos pocos centímetros hasta las micro y nanofibras.
Las FC presentan un amplio rango de estructuras en lo que se refiere a la orientación de los planos grafíticos tanto en la dirección del eje de la fibra como perpendiculares a éste.
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Algunas estructuras presentadas por las fibras de carbono |
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Video de una empresa que comercializa cintas hechas con fibra de carbono que se utilizan para reforzar y reparar estructuras afectadas por grietas. Ejemplo de como se utilizan. (En Inglés) |
Los materiales compuestos carbono/carbono son un tipo particular de materiales compuestos en los que se combinan un refuerzo de carbono (generalmente una FC) y una matriz también carbonosa (resinas, polímeros o breas, con las que primero se impregna la fibra y
luego se carbonizan para dar lugar a esta matriz). Este tipo de materiales se caracterizan por ser ligeros y a la vez densos, con altas prestaciones mecánicas, alta resistencia térmica (en atmósfera no oxidante) y muy inertes ante la mayoría de
agentes químicos. Por el contrario su punto débil es la gran reactividad en atmósfera oxidante cuando se sobrepasan los 400-500 ºC. También son materiales de alto coste aunque los avances tecnológicos y su uso más generalizado tienden a
abaratar sus costes.
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Algunas aplicaciones de los materiales compuestos C/C |
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Construcción del casco de una embarcación con fibra de carbono |
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Fabricación de los materiales compuestos C/C |
Los procedimientos mas utilizados para la preseparación de materiales compuestos C/C son el depósito químico en fase de vapor (CVD) y la impregnación líquida, los cuales se pueden utilizar bien de forma individual o bien de forma combinada. En el primer procedimiento, las FC se exponen a una corriente de un hidrocarburo (metano) que a las altas temperaturas del tratamiento se descompone y deposita en forma de carbón pirólitico sobre la superficie de la fibra. En el caso de la impregnación líquida la preparación del material conlleva dos etapas consecutivas, la impregnación de la fibra con un precursor orgánico dando lugar al preimpregnado y la transformación de este percusor en matriz de carbono mediante la aplicación de ciclos térmicos controlados en atmósfera inerte (carbonización). Dependiendo de las aplicaciones finales del material este puede someterse a un proceso de grafitización a temperaturas del orden de los 2500 ºC. En los materiales en los que se requiere una gran densidad y altas propiedades mecánicas, los materiales compuestos C/C pueden someterse a un proceso de densificación mediante infiltración del precursor de la matriz o mediante CVD.
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¿Inventó Edison la bombilla eléctrica?. La primera fibra de carbono de aplicación industrial y la invención de la bombilla eléctrica
Tomas Alba Edison (1847-1941) vivió y trabajo en Estados Unidos llegando a ser el inventor más productivo de todos los tiempos. Patento 1903 inventos, entre ellos la lámpara incandescente, similar a la bombilla eléctrica que usamos en nuestros días. No obstante, y aunque existe cierta controversia al respecto, parece ser que fue Sir Joseph Wilson Swan el primero en inventar en Gran Bretaña la bombilla eléctrica en 1878. Edison mostró el mismo invento en 1879, pero a diferencia de Wilson, Edison tenía la precaución de patentar todos sus inventos, por lo que demando a Joseph por haberle robado su idea. No obstante esta acción fue anulada llegando ambos a un acuerdo y compartiendo su invento para formar la compañía Edison and Swan United Electric Light Company en 1883. Básicamente la bombilla eléctrica objeto de la invención consiste en una ampolla de vidrio, a la cual se le hace el vacío, y que contiene un filamento que se pone incandescente, cuando es atravesado por una corriente eléctrica, emitiendo luz. El principal problema en aquella época era, sin embargo, encontrar un filamento que no se fundiese al poco tiempo de ponerse incandescente. Edison sí fue en este caso quien realmente resolvió el problema después de probar más de 6000 derivados vegetales e invertir alrededor de 50000 dólares intentando encontrar la fibra ideal para su filamento. Finalmente logro una bombilla basada en un diseño cuyo filamento consistía en fibras de bambú carbonizadas, con las que consiguió una duración de ese primer prototipo comercial de aproximadamente 1200 horas (algo casi increíble si consideramos que en 1879 sus intentos no duraban más de 14 horas). Una celebrada anécdota relata como en la conferencia de prensa que se celebró para promocionar su nuevo invento, un periodista le pregunto: ¿qué sintió después de haber fracasado dos mil veces en hacer una bombilla?; a lo que Edison contestó: Joven, yo no fracasé dos mil veces en hacer una bombilla; me limité a encontrar mil novecientas noveinta y nueve formas de no hacer una bombilla. Esta fibra de carbono (así como otras obtenidas con otros precursores) también fue patentada por Edison en 1879 y es considerada como la primera fibra de carbono patentada para una aplicación industrial. Así, la primera bombilla fabricada de forma industrial en 1881 se componía de un hilo de carbón (hebras de bambú carbonizadas) dentro de una ampolla de vidrio vaciada de aire. Esta lámpara tenía una eficacia luminosa de 2 lm/W y fue utilizada por primera vez en la Opera de París para la Exposición Universal de la Electricidad en 1881.
En este vídeo se enseña como hacer una lámpara usando como filamento la mina de grafito de un lápiz.
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Violines de alta calidad hechos con materiales compuestos C/C
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Oscar Pistorius "la cosa más rápida del mundo sobre no-piernas Oscar Pistorius nació el 22 de noviembre de 1986 en Pretoria, Sudáfrica. Pistorius es un atleta paralímpico que se ha hecho famoso como “"the fastest thing on no legs (la cosa más rápida sobre no piernas)”, debido a que no tiene piernas de rodilla para abajo. Oscar nació con deficiencia ósea por debajo de sus rodillas y sus padres tomaron la difícil decisión de autorizar a los médicos la amputación de ambas piernas cuando tenía once meses de edad. Como atleta recibió el apodo de "Blade runner", debido a la forma de los amortiguadores ortopédicos de fibra de carbono fabricados especialmente para él y cuya marca registrada "Cheetah (guepardo)" recuerda al felino más rápido de la Tierra. Sus prótesis de fibra de carbono no sólo le sirvieron para entrar velozmente en las páginas de la historia del deporte, sino también en la polémica. Varios han protestado por considerar que estos amortiguadores le permiten una longitud de salto más amplia, algo que él rechaza. La empresa que los fabrica, Ossur, los califica de "instrumentos pasivos" y alega que distan mucho del rendimiento que pueden tener las piernas biológicas. |
El 13 de Julio de 2007 Oscar Pistorius corrió los 400 metros en la Golden Gala de Roma, enfrentándose, por primera vez, en una prueba oficial a atletas no discapacitados y obteniendo un segundo puesto |
© 2006 J. Ángel Menéndez
