La fibra de carbono está formada por una fibra extremadamente fina, de entre cinco y diez micrones de diámetro, y está compuesta principalmente por átomos de carbono . Estos se aglomeran en cristales microscópicos que se alinean más o menos paralelos al eje largo de la fibra. La alineación de los cristales hace que la fibra sea extremadamente fuerte para su tamaño. Varios miles de fibras de carbono se enrollan juntas para formar un hilo, que se puede usar tal cual o tejido .
Este material se caracteriza por su baja densidad (1,7 a 1,9), su alta resistencia a la tracción y compresión, su flexibilidad, su buena conductividad eléctrica y térmica , su resistencia a la temperatura y su inercia química (excepto a la oxidación).
Su uso principal es servir como refuerzo en materiales compuestos , lo que permite obtener piezas con buenas propiedades mecánicas a la vez que son significativamente más ligeras que las piezas metálicas.
La primera aplicación de las fibras de carbono fue en el desarrollo de hilos para lámparas incandescentes. Joseph Swan produjo las primeras fibras en 1860. En primer lugar, fueron filamentos de papel carbonizado, luego mejoró la calidad de los hilos de carbono mediante el uso de fibras de algodón carbonizado. Desde 1879, Thomas Edison utilizó fibras de bambú carbonizadas a alta temperatura. En 1880, Lewis Latimer mejoró el proceso de Thomas Edison para obtener filamentos de carbono fiables, lo que dio como resultado tiempos de funcionamiento de la bombilla de varios cientos de horas. A partir de 1892, se abandonará la iluminación eléctrica en favor de la iluminación mediante el calentamiento de manguitos incandescentes para el alumbrado público y se abandonará la producción de cables de carbono durante varias décadas.
En 1958, Roger Bacon (en) quería determinar el punto triple de los átomos de carbono calentando a alta temperatura en un horno de arco, observó la formación de filamentos de carbono. Continuó estudiando la formación de estos filamentos para llegar a un método de preparación que fue patentado. El proceso se basó en la carbonización de fibras de viscosa , fue utilizado por Union Carbide (cuya rama de carbono luego se convertiría en Graphtec ). Sin embargo, las propiedades mecánicas de estas fibras estaban limitadas porque su contenido de carbono era bajo. En 1960, Akio Shindo produjo fibras de carbono de mejor calidad a partir de poliacrilonitrilo (ex fibras PAN). Durante el mismo período, Richard Millington mejoró el proceso de fabricación de fibras de viscosa. Su alto contenido en carbono (99%) y sus buenas propiedades mecánicas permitieron considerar su uso como refuerzo en materiales compuestos. Durante esta década se realizaron investigaciones para encontrar nuevos precursores de carbono para la obtención de fibras. Conducen a procesos para la fabricación de fibras de carbono a partir de brea de petróleo.
En 1963, W. Watt, LN Phillips y W. Johnson (Royal Aircraft Establishment en Farnborough, Hampshire) desarrollaron un proceso para fabricar materiales compuestos. Rolls-Royce utiliza este proceso para fabricar palas de compresor para sus motores RB211 . Sin embargo, estos compuestos son sensibles a los golpes ( por ejemplo, colisiones con aves), lo que limitará su uso en aeronáutica. Durante el mismo período, el gobierno japonés apoyó muy activamente el desarrollo de la producción industrial de fibras de carbono, y varias empresas desarrollaron esta actividad ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japón se convierte en líder en el campo de las fibras de carbono fabricadas con PAN.
En la década de 1970, el mercado mundial estaba dominado por Union Carbide, que utilizaba el proceso Toray. La empresa Courtaulds es el único proveedor británico importante. Esta empresa seguirá siendo un importante proveedor de materiales compuestos para aplicaciones deportivas hasta finales de la década de 1980. Estados Unidos y Europa también animan a empresas como BASF , Celanese o Akzo a desarrollar la producción industrial de fibras de carbono.
Desde finales de la década de 1970, muchos desarrollos han llevado a la producción de fibras con propiedades mecánicas adecuadas para muchas aplicaciones diferentes. Se hace una distinción principalmente entre fibras de alto módulo y fibras de alta tenacidad. La demanda de materiales compuestos aumenta constantemente, impulsada principalmente por las industrias aeronáutica, de defensa y eólica. Esto ha propiciado la aparición de nuevos actores en este mercado como China o Corea del Sur. Más recientemente, la necesidad de reemplazar los precursores de carbono de los recursos fósiles con precursores de base biológica ha llevado a la actividad de investigación en el campo de las fibras a base de lignina . También se han desarrollado fibras compuestas utilizando nanotubos de carbono como estructura.
Podemos citar tres familias principales de fibras utilizadas a gran escala:
Las fibras obtenidas por deposición química en fase de vapor a partir de un precursor de carbono como el benceno tienen diferentes propiedades y aplicaciones y generalmente se denominan " nanofibras de carbono ".
La fibra de carbono es un material con un contenido de carbono muy alto (superior al 90% en masa). A nivel atómico, una fibra está compuesta por láminas de carbono poliaromático apiladas en una estructura que puede ser muy parecida a la del grafito , pero que también puede ser más desordenada que el grafito (carbono turboestrático en el que el apilamiento de láminas de carbono comprende fallas). El nivel de grafitización de las fibras depende del precursor utilizado, pero también del método de producción utilizado. La disposición de las pilas de láminas de carbono constituye la microestructura de las fibras de carbono, también depende del precursor de carbono y del proceso de síntesis.
Fibra ex-PAN de alto módulo Toray M40.
Fibra Toho Tenax.
Celion ex-fibra de carbono viscosa.
Una fibra es un material unidimensional, es la disposición de las fibras en dos o tres dimensiones lo que permitirá obtener una pieza compuesta C / C con buenas propiedades mecánicas. Por tanto, las propiedades de uso de una fibra de carbono se caracterizan en la dirección longitudinal de la fibra.
El diámetro de las fibras de carbono está ahora entre 5 y 10 µm. La densidad de las fibras de carbono es del orden de 1,7. Esto permite diseñar materiales compuestos con una densidad similar, lo que representa una reducción muy significativa en comparación con los materiales metálicos.
El uso principal de las fibras de carbono es la producción de materiales compuestos con propiedades mecánicas mejoradas para un peso reducido. Las propiedades mecánicas son, por tanto, las características esenciales de una fibra. Se utilizan principalmente dos parámetros:
Una fibra con un alto módulo de elasticidad se deformará muy poco, pero puede romperse bajo tensiones moderadas. Utilizado como refuerzo, puede dar lugar a que un material tenga un carácter frágil. Este tipo de fibra se denomina fibra de alto módulo. Una fibra que tenga un módulo de elasticidad más moderado tendrá una mayor resistencia a la tracción, puede dar al material compuesto una mejor resistencia a la tracción pero una mayor deformabilidad. Si una fibra de carbono tiene un carácter muy grafítico y una estructura muy ordenada, tendrá un módulo de elasticidad alto, en cambio tendrá un carácter quebradizo. El control de esta estructura se obtiene mediante la elección del precursor (una fibra ex-brea generalmente es más grafítica que una fibra ex-PAN), pero también mediante el uso de un tratamiento térmico a muy alta temperatura.
Dado que las fibras de carbono están compuestas de dominios grafíticos, aprovechan las propiedades eléctricas del grafito . El grafito es un material anisotrópico que tiene muy buena conductividad eléctrica en la dirección de los planos de grafeno. Como los dominios grafíticos están orientados en la dirección longitudinal en las fibras, estas últimas también exhiben buenas propiedades térmicas y eléctricas a lo largo de la dirección del hilo. Por tanto, la resistividad eléctrica de una fibra disminuye si aumenta su carácter grafítico, los valores varían de 900 µΩ cm para una fibra de módulo alto (350 a 500 GPa ) a 1650 µΩ cm para fibras que tienen módulos más bajos (200 a 300 GPa ). La conductividad térmica también depende de la estructura, puede variar desde 20 W m -1 K -1 para fibras de módulo intermedio hasta 80 W m -1 K -1 para fibras con módulo alto.
Las fibras obtenidas a partir de poliacrilonitrilo representan la mayor parte de los refuerzos utilizados en los composites. Esto se debe al hecho de que pueden tener buenas propiedades mecánicas a la vez que tienen un coste de fabricación moderado. El PAN es un polímero que tiene la fórmula [-CH 2 -CH (CN) -] n . Los pasos de fabricación son los siguientes:
Las fibras de brea se pueden obtener a partir de varios tipos de precursores:
La composición de una brea varía mucho según el método de producción y el precursor utilizado. En todos los casos, contiene una alta proporción de carbono aromático en forma de moléculas poliaromáticas con una masa molar de 400 a 600 g / mol. Las fibras obtenidas a partir del carbón vegetal pueden contener partículas sólidas de carbón, que pueden debilitar las fibras de carbón obtenidas, por lo que se utiliza preferiblemente brea de petróleo.
El principal precursor de este tipo de fibra es la celulosa . Este material se llama "rayón", la forma normal del rayón se llama " viscosa ". El desarrollo de un hilo de rayón implica varias etapas:
A partir del hilo de rayón, los pasos para la obtención de fibras de carbono son similares a los presentados para las fibras ex-PAN.
La lignina es el biopolímero más abundante que contiene estructuras aromáticas, representa entre el 15 y el 30% de las plantas. Es un material que está disponible en la actualidad a un costo muy moderado, por ejemplo, como subproducto de la fabricación de papel . Su estructura química compuesta por estructuras aromáticas unidas entre sí para formar una red bidimensional, y el carácter termoplástico de este polímero permiten extruirlo para obtener fibras y tratarlo térmicamente para obtener una fibra de carbono. El proceso de fabricación de fibras de carbono a partir de lignina es, por tanto, muy similar al presentado en los párrafos anteriores.
Una de las dificultades es que la lignina puede tener una estructura y propiedades físicas diferentes según la planta de la que provenga y el proceso utilizado para separarla de otros componentes de la planta. También puede contener impurezas. Las condiciones de extrusión de la fibra, que son dependientes de la temperatura de transición vítrea ( T v por lo tanto), deben ser elegidos en función de la lignina utilizado. Además, las propiedades finales de la fibra de carbono pueden variar dependiendo de la composición inicial de la lignina. A pesar de estas dificultades, la lignina tiene muchas ventajas: es un material de origen biológico cuyo costo es bajo, tiene un buen rendimiento de carbono y su carácter termoplástico permite desarrollar procesos de fabricación eficientes. Las primeras patentes sobre este tema a partir de la década de 1960, pero la investigación sobre la optimización de estas fibras y la integración de los procesos de fabricación en un concepto de bio-refinería se ha vuelto muy activo desde el comienzo del XXI ° siglo ( por ejemplo:. Programa europeo LIBRE La lignina Fibras de carbono a base de compuestos ).
Se han desarrollado varios procesos para producir hilos que contienen nanotubos de carbono . Podemos citar :
Las propiedades de las fibras obtenidas dependen mucho de los nanotubos y del método utilizado. Las aplicaciones previstas para este tipo de fibra son generalmente textiles técnicos.
Las fibras de carbono se utilizan principalmente como refuerzo en materiales compuestos . Permiten obtener piezas estructurales con buenas propiedades mecánicas: rigidez, resistencia al agrietamiento, etc. , mientras que tiene una densidad baja en comparación con los materiales metálicos.
Generalmente se insertan en el material compuesto en forma de hilos entrecruzados o capas tejidas, luego se infiltra una matriz en el material para hacer la pieza deseada. Para una habitación determinada, es necesario calcular una disposición óptima de la red de fibra. Por tanto, el desarrollo de estas piezas tiene un coste, lo que significa que los materiales compuestos a base de fibra de carbono se utilizan principalmente en aplicaciones críticas.
El principal campo de aplicación es la industria aeronáutica y espacial:
El deporte de competición también utiliza ampliamente materiales compuestos, tanto por su bajo peso como por sus propiedades mecánicas mejoradas:
La fibra de carbono se utiliza en la fabricación de instrumentos :
En otras áreas, también podemos citar:
Los tejidos de fibra de carbono también encuentran aplicaciones que se utilizan solos:
Tejido de fibra de carbono.
Freno de carbono Airbus A330 / A340.
Trimarán clase MOD70
Parte trasera de la carrocería de un automóvil Champ Car
Armin Bachmann (de) posando con dos piezas de alphorn , una en madera y la otra en fibras de carbono.