Actualmente la utilización de los composites es mayor en diversas áreas de gran importancia. De hecho, los estudios del mercado revelan que el uso de estos tendrá un crecimiento exponencial durante los años futuros. Debido a ello, es beneficioso que se difundan conocimientos sobre estos materiales de utilidad y la razón de su practicidad.
¿Qué es un composite con fibra de carbono?
La comprensión de lo que es un composite de fibras de carbono implica saber qué es un composite. Además, se debe definir con exactitud qué son las fibras de carbono junto con sus características que permiten la formación del composite. Esa información incidirá en que se logre entender por qué se elige incorporar esos materiales en distintos campos industriales.
Se define como “composite” a los materiales sintéticos que se mezclan de forma heterogénea para formar un compuesto. Eso quiere decir que la mezcla forma una composición no uniforme con elementos que tienen diferentes características. Hablando de manera más específica, esa formación involucra moléculas procedentes de variados elementos, ya sean artificiales o naturales.
La fibra de carbono se conoce por tener un bajo peso, una alta resistencia y una gran rigidez. Otras de sus características es la capacidad para conducir electricidad y un coeficiente bajo de expansión térmica. Además de ello, tiene resistencia a la tracción, la fatiga y la intemperie. De hecho, puede soportar temperaturas de 1500 °C a 2000 °C y son de alto costo.
Ahora bien, un composite de fibras de carbono está formado principalmente por filamentos del carbono aglomerados e impregnados con resina. Esos materiales compuestos por dos componentes, o más, forman uno nuevo que tiene cualidades y propiedades superiores inalcanzables por los componentes en estado independiente.
Proceso de fabricación de los composites hechos con fibras de carbono
Los composites que tienen fibra de carbono son fabricados mediante la pirolisis que se controla desde el precursor poliacrilonitrilo. El poliacrilonitrilo, conocido por las siglas PAN, está formado por cadenas largas de moléculas del oxígeno, el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno. Cuando en condiciones correctas se calienta el PAN, las moléculas del carbono se unen pero el resto de los elementos se separa.
Cuando los átomos de carbono polimerizado cambian su distribución, se forma una estable estructura de anillos unidos fuertemente. Si la temperatura aumenta, se juntan los anillos formando hexágonos muy flexibles que inciden en que el composite sea más resistente. Básicamente el procesado se lleva a cabo siguiendo varias etapas, que incluyen estabilización, carbonización, grafitización, catalizador y roving.
Estabilización
Las fibras del poliacrilonitrilo (PAN) se someten a una temperatura de 200 °C o 300 °C mientras se estiran. Estas son alargadas dentro de un horno para oxidación en el que se les dará la requerida orientación molecular. Dicha orientación será la necesaria para conseguir estabilidad dimensional y prevenir que se funda durante el proceso siguiente.
Carbonización
El proceso de carbonización se realiza a una temperatura superior a los 1000 °C. Durante ese período del calentamiento los átomos de nitrógeno e hidrógeno desaparecen. Por lo tanto, los anillos de carbono se orientan de acuerdo a la longitud de hilo.
Grafitización
La grafitización es el calentamiento que se efectúa sobre los 2000 °C. Durante esta etapa los cristales del carbono aumentan su tamaño y la orientación de cada anillo mejora en esa fibra.
Catalizador
Finalmente, se aplica sobre la fibra un producto que actúa como catalizador para promover la adhesión. Esta adhesión debe producirse entre la resina y la fibra de carbono.
Roving
Los individuales filamentos de carbono, conocidos como mechas, se trenzan entre sí en grupos que van de 5000 mechas a 12000 mechas. Aunque para formar el roving también se puede usar conjuntos que pueden contener de 120000 filamentos a 140000 filamentos. Para el composite se combinan esos tejidos de hilos del carbono, que aportan resistencia y flexibilidad, con una termoestable resina, comúnmente epoxi.
Luego de ello, se solidifica gracias al agente endurecedor que une fibras. Existen varios procesos para la impregnación, algunos son industriales y otros de tipo manual. Para el ámbito industrial se emplean transferencias de resina, inyecciones e infusiones. Sin embargo, para el área manual se usan brochas, pistolas o espátulas.
¿Para qué sirven los composites de fibras de carbono?
Las propiedades mecánicas de un composite de fibras de carbono son semejantes a las que tienen otros metales. Sin embargo, el carbono pesa muy poco, lo que constituye una ventaja. Ese es uno de los motivos por los cuales actualmente se emplean para fabricar las aeronaves y para ciertos artículos deportivos.
Además de ello, su utilización abarca los automóviles y las palas para aerogeneradores. Eso se debe a que la industria está interesada en reducir el peso que tiene el vehículo y los composites de fibras de carbono nanoestructurado son la mejor opción para ello. Sin duda, resulta sorprendente que una composición de materiales sea tan práctica en áreas como la aeronáutica, el transporte y la industria espacial.
Reciclaje de los composites de fibra de carbono: ¿Es posible?
El reciclaje de los composites de fibra de carbono es complicado de realizar por tres razones. El primer motivo es que la mayoría se forman con resinas termoestables, por eso no se pueden fundir incluso si se les aplica calor. Eso incide en que no se puedan moldear después. En segundo lugar, reciclar esos materiales es complejo porque ya se componen de ingredientes múltiples de diversa naturaleza. Algunos de ellos son fibras, resina y aditivos para relleno.
La tercera razón es que están mezclados y pueden tener otros materiales incorporados, como insertos metálicos o pinturas. Entre las opciones también se incluye que tengan un film termoplástico protector. A pesar de ello, se han comenzado a crear plantas en las que se pretende reciclar las fibras de carbono.
De esa forma se podrían reutilizar para composites nuevos, pero ese tipo de proyecto aún se encuentra en vía de investigación. Las industrias están tratando de cumplir con ese objetivo porque la fibra virgen de carbono posee un elevado precio en el mercado. Con ese método de reciclaje, podrían ahorrarse dinero.
