La fibra de Carbono

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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINAS Y METALURGIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA

REDACCION DE TEXTOS

DOCENTE: JOSE CONDORI PAUCCARA

ALUMNO: ALEX ENRIQUE QUISPE HUAMAN

SEMESTRE 2020-I

CUSCO-PERU

2020

INDICE

PROLOGO        2

INTRODUCCION        3

LA FIBRA DE CARBONO        4

ORIGEN        4

DEFINICION        5

PRODUCCION        7

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA AUTOMOVILISTICA        8

RUEDAS A BASE DE FIBRA DE CARBONO        10

NECESIDADES DEL FUTURO        11

CONCLUSIONES        13

ANEXOS        14

BIBLIOGRAFIA        15

PROLOGO

Esta monografía está hecha con la finalidad de informar e ilustrar sobre el cómo el material llamado fibra de carbono viene revolucionando el mercado de las diferentes industrias de producción, llegándosele a conocer como el material del futuro.

En este documento podrá encontrar información relacionada al origen, la producción, la utilidad, ventajas y desventajas, su aplicación haciendo énfasis en la industria automotriz y el como se proyecta al futuro como uno de los materiales más importantes e indispensables.

INTRODUCCION

El carbono es uno de los elementos más versátiles conocidos por el hombre, como podemos observar por el hecho de que es la base de la vida en el planeta, una de las variantes de este elemento que se está tomando más uso e importancia en la actualidad viene a ser la Fibra de Carbono, llegando a ser llamada por muchos como el material del futuro.

La fibra de carbono es uno de los nuevos materiales utilizados por las industrias espacial, aeronáutica, constructoras y automovilística, siendo esta última la que mayor uso le está dando, también es usado para la fabricación de componentes de algunas computadoras, celulares y otros dispositivos electrónicos.

Este es un material liviano y resistente que es resultado de la unión de dos materiales: el carbono y la resina termoestable, los cuales, combinados, logran un producto final que logra soportar la tracción y la compresión. Debido a su versatilidad, alta flexibilidad, alta resistencia y baja expansión térmica, hace que sea un material muy apreciado en las diversas industrias ya mencionadas.        

Entre las ventajas que proporciona el uso de fibra de carbono están: La ligereza, resistencia a la corrosión, alta durabilidad, mayor resistencia a los impactos, mayor resistencia al fuego y mejor aislamiento térmico. A pesar de parecer el material perfecto, la fibra de carbono se rompe cuando se comprime excesivamente o cuando se le empuja más allá de sus capacidades, como cualquier otro material, también cuando es expuesta a un alto impacto, si esta es golpeada por un martillo, se agrietará fácilmente. Cabe mencionar que este material resulta complicado de fabricar, ya que necesita un proceso largo y costoso de elaboración que no encaja con las exigencias de los productos actuales.

Pese a estos altibajos, el material es de alta calidad con un precio acorde a esta, siendo cada vez más utilizada e incluso llegando a reemplazar al acero en varias de sus funciones principales.

Este trabajo busca informar, explicar, dar a conocer acerca del origen, producción y aplicaciones de este material cuyo uso se globaliza cada vez más, enfocándonos principalmente en la industria automotriz.

LA FIBRA DE CARBONO

ORIGEN

La fibra de carbono principalmente se desarrolló en la industria aeronáutica y espacial, pero su aplicación se fue extendiendo a otros campos como a la de la industria automotriz y los deportes de altas competiciones. (Clickmica, s.f)

Se cree que su descubridor o creador fue el inventor Thomas Alva Edison, quien fue creador de la primera bombilla, cuyos filamentos los fabricaba hilos de algodón o láminas de bambú, calentados a altas temperaturas, estos elementos tienen por compuesto celulosa, que, a la vez, se compone en gran parte por carbono. El resultado obtenido eran filamentos carbonizados, pero aún no se asemejaban ni un poco al material actual. (KITFIBRADECARBONO, s.f)  

Posteriormente en 1958, Roger Bacon hizo creación de fibras de carbono de alto rendimiento, las fabrico por medio del calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resulto poco o nada eficiente porque las fibras solo contenían un 20% de carbono y no contaban con una buena fuerza y rigidez. Las siguientes investigaciones posteriores lograron obtener fibras con más de un 55% de carbono, fue la empresa Rolls-Royce quien seguiría con las investigaciones para obtener materiales más ligeros y resistentes de piezas para la aeronáutica.                                    Las investigaciones siguientes, en su búsqueda por materias primas alternativas, llevaron a la introducción de fibra de carbono a partir de la transformación de petróleo, dichas fibras contenían hasta un 85% de carbono y tenían una excelente resistencia a la flexión. (Clickmica, s.f)

En 1963, el Ministerio de Defensa de Reino Unido patenta un sistema de fabricación de fibra de carbono. En 1966 se consiguió obtener fibras de carbono de alto módulo y tensión de ruptura a partir de fibras de PAN (Poliacrilonitrilo). En esta época también se desarrollaron fibras de carbono obtenidas a partir de breas de carbón y petróleo, y de resinas fenólicas, sin embargo, estas fibras de carbono presentan propiedades mecánicas inferiores y se comercializan como fibras de carbono de uso general. En 1981, McLaren presenta el primer coche de Fórmula 1 construido con fibra de carbono - el MP4 /1. En 1991, El último gran fabricante británico de fibra de carbono, Courtaulds, finaliza la producción. En la década de los 80 se prepararon fibras de carbono a partir de breas de meso fase de ultra-altomodulo elástico para su utilización en un número limitado de aplicaciones que requieren fibras de muy altas prestaciones. En 2007, Boeing presenta el Dreamliner, el primer avión principalmente construido con materiales compuestos. (Sáenz, 2012)

Actualmente podemos visualizar varios objetos creados con fibra de carbono, ya que este es un material muy apreciado por diversas industrias por sus sorprendentes propiedades mecánicas y su ligereza, posee una resistencia a agentes externos, es un buen aislante térmico y conserva su forma frente a los cambios de temperatura.

DEFINICION

La fibra de carbono producida por Roger Bacon a finales de los años 50 apenas tenía un 20% de carbono. Además, su resistencia y su rigidez eran muy inferiores a las del material que usamos actualmente, pero Bacon dio un paso muy importante hacia delante que fue auxiliado poco después por el físico japonés Akio Shindo. A principios de la década de los 60, solo unos años después del hallazgo de Bacon, Shindo logró producir fibras con un 55% de carbono, lo cual era todo un logro para esa época. Y no mucho más tarde el trabajo de científicos como Richard Millington, W. Watt o W. Johnson fue crucial para encontrar la manera de fabricar fibra con un 99% de carbono. (Lopez, 2019)

La fibra de carbono o fibrocarbono es un material relativamente nuevo formado por fibras de entre 50 y 10 micras de diámetro y compuesta por átomos de carbono, principalmente, unidos entre sí en cristales más o menos alineados unos con otros en paralelo al eje longitudinal de la fibra, lo cual le proporciona una alta resistencia en función del volumen. Varios miles de fibras se trenzan para formar un hilo que puede ser utilizado directamente o tejido en una tela. Cada filamento de fibra de carbono forma un conjunto de muchos miles de filamentos. (SKOOGH, 2016)

Entre las principales características de la fibra de carbono están:

• Las fibras de carbono tienen un diámetro de 7 a 8 μm y sus propiedades dependen del grado de perfección de la orientación de los planos de las capas de grafito que deben estar orientadas paralelamente al eje de la fibra. Existen varios procedimientos de grafitización que se realizan a una cierta temperatura que influye en las características de resistencia y rigidez de las fibras. (Paris, 2006).
• Las fibras de carbono son frágiles y muestran una recuperación elástica del 100% cuando se someten a esfuerzos inferiores a los de rotura. Lógicamente las propiedades transversales de las fibras son muy inferiores a las longitudinales. Uno de los mayores problemas de las fibras de carbono es la variabilidad de sus propiedades, condicionadas en gran medida por su efecto-longitud ya que al aumentar ésta aumenta también la posibilidad de existencia de un defecto. (Paris, 2006).
•  Estas fibras muestran una gran diversidad de características tanto mecánicas como físicas, permitiendo a los materiales compuestos incorporar estas fibras para obtener propiedades ingenieriles adecuadas, además, a temperatura ambiente, las fibras de carbono no se ven afectadas por la humedad, además de resistir una gran variedad de solventes, ácidos y bases. (Callister, 1995)
• Además de su elevada resistencia mecánica a la fatiga y baja densidad, la fibra de carbono apenas se ve alterada por las variaciones de temperatura, por lo cual, conserva su forma original dentro de un amplio rango de temperaturas, aparte, tiene una gran capacidad de aislamiento térmico gracias a su habilidad de absorber energía en forma de calor y así reducir su transmisión. Resiste sin inmutarse a numerosos agentes externos que podrían degradar el material, ya sea la humedad o la corrosión, estas propiedades hacen que los objetos fabricados con fibra de carbono sean muy duraderos.        (Lopez, 2019)

Como sabemos, el carbono es uno de los materiales más versátiles conocidos por el hombre, es incluso considerado la base de la vida en el planeta. Este elemento se puede combinar con otros muchos elementos como lo son el azufre (s), el cloro (Cl), el oxígeno (O), entre otros, que sean estables, incluso puede llegar a combinarse con otros átomos de carbono y así formar cadenas de carbono de gran longitud y de alta resistencia a altas temperaturas, incluyendo el fuego, no es un material fácilmente reciclable (al ser fundido pierde muchas de sus propiedades), pero es perdurable (Bolufer, 2007). Entonces, podemos afirmar que estudiar a la fibra de carbono es estudiar al mismo carbono y sus propiedades.

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