Fibra+de+carbono

Por //José Manuel Rodríguez Rodríguez//

Las fibras de carbono ( 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 ( 1200-1400ºC ) 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 términos 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 ( 2000-3000ºC ) que les confiere un orden cristalino tridimensional que puede observarse mediante difracción de rayos X. Aunque existe una gran variedad de FC basadas en los distintos precursores, procesos químicos y tecnológicos, su preparación conlleva las siguientes etapas: Hilado de las fibras a partir de una disolución o fundido.

Estabilización de las fibras hiladas mediante pre-oxidación o estabilización térmica, para evitar que la fibra se funda en el posterior proceso de carbonización

Carbonización en atmósfera inerte ( 1200-1400ºC ). Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de carbono de uso general. Para obtener fibras de carbono de altas prestaciones, fibras de carbono conductoras o fibras de grafito es necesario someter las FC a tratamientos térmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los 2000 y los 3000ºC. 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 se pueden clasificar en: __Fibras de ultra alto módulo (UHM )__: Son aquellas que presentan un módulo elástico superior a los 500 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 módulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas. En relación a los precursores utilizados para la obtención de FC las más importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón, fibras de carbono a partir de PAN ( hoy en día este es el producto más importante para la fabricación de FC y del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales ) y fibras de carbono a partir de breas. Las fibras de carbono activadas si obtienen mediante carbonización y activación física o química de distintos precursores ( breas, rayón, 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 activados. Estas fibras se pueden obtener en forma de telas o fieltros. Otro tipo de fibras que difiere de las anteriores en cuanto en cuanto a sus características y métodos de obtención son las fibras de carbono crecidas en fase vapor ( vapor ground carbón fibres, VGCF ). Estas fibras se obtienen mediante un proceso catalític de depósito químico en fase vapor. Aunque de tamaño mucho menor que las anteriores, estas FC presentan una gran variedad de tamaños que van desde unos pocos cm hasta las micro y nanofibras.

__**Materiales compuestos carbono/carbono:**__ Son un tipo particular de materiales compuestos en los que se combinan 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 400-500ºC. También son materiales de alto coste aunque los avances tecnológicos y su uso más generalizado tienden a abaratar sus costes. Los procedimientos más 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 pirolítico 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 gratificación a temperaturas del orden de los 2500ºC. 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.


 * //Fabricación de los materiales compuestos C/C// ||  ||