La estructura atómica de la fibra de carbono

MARCO TEÓRICO

En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Técnico de la Unión Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos.

Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono.

Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.

La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada filamento de carbono

es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero.

La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular

Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor

es primeramente hilado en filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono obtenida. Sus propiedades:

 Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.

 Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.

 Elevado precio de producción (por la gran cantidad de defectos y de rechazos de calidad, magnitud del 10% correcto, pues un en una pieza, es tirarla toda, o carísima reparación).

 Resistencia a agentes externos

 Gran capacidad de aislamiento térmico

 Resistencia a las variaciones de temperatura , conservando su forma , solo si se utiliza matriz termoestable

 Estabilidad dimensional (logra conservar su forma)

 Amortiguación de vibraciones, resistencia y tenacidad.

 Resistencia a la fatiga y auto-lubricación.

 Resistencia química y térmica.

 Alta conductividad eléctrica

 Compatibilidad Biológica Aplicaciones

Sus aplicaciones:

o Transporte y artículos deportivos

o Tecnología Aeroespacial

o Equipos de audio, brazos de robot

o Maquinaria textil, ingeniería en general

o Industria química y nuclear

o Construcciones

o Material deportivo

En una estructura podemos distinguir diferentes partes, llamadas elementos estructurales. Cada elemento estructural está pensado para soportar la carga de una determinada manera, es decir, para resistir distintos tipos de fuerzas.

Una estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que sujeta y algunos

empujes exteriores, como el viento, las olas, etc. Los tres tipos de fuerzas más importantes que actúan sobre las estructuras son:

La fuerza de compresión: Las columnas de un edificio soportan el peso del techo y de los pisos superiores. Estos elementos están sometidos a una fuerza que tiende a aplastarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de compresión se llaman soportes.

La fuerza de tracción: Los cables de un puente colgante soportan unas fuerzas que tienden a estirarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de tracción se llaman tensores o tirantes

La fuerza de flexión: Un estante de un mueble soporta una fuerza que tiende a doblarlo. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de flexión se llaman vigas o barras, las cuales están puestas en sentido horizontal.

Los elementos estructurales:

Vigas: Elemento horizontal o inclinada que trabaja en dos o más apoyos, de

medidas longitudinales mayores que las transversales, sometidas principalmente

a flexión.

Columnas: Apoyo generalmente vertical, de medida longitudinalmente muy superior a la transversal, cuyo fin principalmente es soportar esfuerzos de compresión.

Cimentaciones: Tiene como función transmitir las acciones de carga de la estructura a suelo de fundación.

Entramados: Son estructuras planas formadas por elementos de dos direcciones, perpendiculares entre sí, y con cargas normales al plano medio de la estructura.

Losa: Tiene un espesor reducido respecto a sus otras dimensiones usado como techos o

piso, generalmente horizontal y armado en una o dos direcciones según el tipo de apoyo

existente en su entorno.

Muros o paredes: Elemento estructural, generalmente vertical empleado para encerrar

o separar ambientes, resistir cargas axiales de gravedad y resistir cargas perpendiculares a su

plano proveniente de empujes

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