En el apartado 8.2 introdujimos el concepto de fibras (continuas y cortas) como refuerzo para materiales compuestos. Discutimos brevemente el uso de fibras cerámicas para reforzar materiales metálicos y ahora, en esta sección y la siguiente, nos centraremos en las que posiblemente sean las fibras más utilizadas en ciencia de materiales: las fibras de carbono y las de vidrio. No obstante, existen multitud de fibras que se usan como refuerzo, como las de boro, las de distintos metales y aleaciones, las de naturaleza polimérica y un amplio catálogo de fibras naturales[1]. Además de usarse como refuerzo en materiales compuestos, las fibras tienen otras aplicaciones funcionales y son de gran importancia en la industria textil. En general, el concepto de fibra es únicamente geométrico e independiente de la naturaleza del material con el que estén hechas. Sin embargo, dado su geometría, todas tienen en común una gran flexibilidad, sobre todo cuanto más finas sean. Por tanto, los materiales reforzados con fibras aumentan notablemente su flexibilidad.
La fibra de carbono es un tipo de material sintético en forma de finos filamentos con diámetros entre 5 y 10 μm y compuesta principalmente por carbono. Cada fibra es la unión de miles de filamentos de carbono cuyo número en una única fibra oscila entre 1000 y 24000. De hecho, hay una nomenclatura estándar para indicar el número de filamentos; típicamente son 1K, 3K, 6K, 12K, 18K y 24K, donde la letra K indica mil. Aunque no suelen tener mucha utilidad por sí mismas, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y a su ligereza se usan continuamente como refuerzo en materiales compuestos con matrices de distinta naturaleza. Ya hemos visto su uso en el refuerzo de materiales metálicos, pero se emplean mayoritariamente en combinación con polímeros termoestables como las resinas de epóxido o epóxicas, generalmente denominadas resinas epoxi.
Las fibras de carbono son el refuerzo más común usado en el diseño de materiales compuestos. Esto se debe a que se pueden obtener fácilmente a partir de un precursor polimérico. Actualmente se utiliza mayoritariamente poliacrilonitrilo (PAN), seguido de brea, y anteriormente el uso del rayón (apartado 9.2) también era común[2]. En cualquier caso, la idea es sacar provecho de la facilidad de procesado de los polímeros para hacer una fibra de la forma deseada por extrusión, un método común en el procesado de fibras. Posteriormente se carbonizan mediante un tratamiento térmico a una temperatura moderada de unos de 200 oC, a la que el precursor no llega a fundir, para finalmente llevar a cabo un segundo tratamiento térmico a mayor temperatura, a unos 1500 oC, y en una atmósfera inerte.
En este segundo tratamiento tiene lugar una reacción de pirólisis, o, en este contexto particular, de grafitización, en la que el precursor orgánico se convierte en carbono, llegándose a obtener fibras de hasta un 99% de contenido en carbono. Es posible aumentar la pureza final de las fibras elevando la temperatura de la última fase de grafitización hasta alcanzar los 2500 oC con la ventaja adicional de que la orientación de las fibras es más precisa. No obstante, esta mejora repercute en el precio final del producto, como era de esperar.
Un proceso similar al que acabamos de describir data de finales de la década de 1950, usando rayón como precursor; se popularizó mucho durante la década posterior cuando se empezaron a hacer fibras a partir de PAN. No obstante, las primeras fibras de carbono como tales se sintetizaron a partir de hebras de algodón ya a finales del siglo XIX para ser usadas como filamentos en bombillas. De hecho, la bombilla de Edison de 1879 contaba con uno de estos filamentos.
En la figura 8.7 se muestran algunos ejemplos de fibras de carbono usadas como refuerzo en resinas epoxi. Son de color negro y poseen una estructura cristalina similar a la del grafito. No obstante, se trata de un material policristalino en el que los planos basales de la estructura del grafito se orientan de forma aproximadamente paralela al eje de la fibra, pero con complejo entramado de interacciones transversales y longitudinales. Por esta razón se requiere un control muy estricto de las condiciones en las que se administran los tratamientos térmicos durante el proceso de grafitización. Las fibras de carbono son conductoras de la electricidad y presentan una baja conductividad térmica, de una forma parecida a lo que le ocurre al grafito.
En el mercado se encuentran distintas fibras de carbono tanto basadas en PAN como en brea y se agrupan en distintas familias según los valores de su resistencia o módulo elástico. En orden creciente de resistencia se denotan en el mundo comercial por las expresiones inglesas low, high, super high strength/modulus. Los diámetros de estas fibras son de menos de 10 μm, su densidad es ligeramente inferior a 2 g cm–3 y su resistencia a la tracción suele ser mayor de 2000 MPa, un valor muy grande que es una consecuencia directa de la geometría tan particular de las fibras, siendo considerablemente mayor que el de casi cualquier metal en masa. Es más, refinando los tratamientos térmicos a alta temperatura la resistencia a la tracción puede llegar a valores bastante superiores a los 5000 MPa con módulos de Young de hasta 530 GPa.
Aunque las aplicaciones primigenias de los materiales reforzados con fibra de carbono estaban pensadas para la industria espacial, con la bajada progresiva del precio de manufactura pronto se fueron expandiendo los usos a otras áreas. Algunos de estos ejemplos se muestran en la figura 8.8. En la industria del transporte, tanto automovilística como aeroespacial, es un material bastante usado, así como en el ámbito del deporte de alta competición, siendo de uso habitual en bicicletas, raquetas de tenis, palos de golf, cañas de pescar, arcos, patines, etc. Esto se debe a la magnífica combinación de ligereza y excelentes propiedades mecánicas. Otra aplicación importante es en ciertas partes de aparatos eléctricos donde hay recubrimientos poliméricos. Dado el carácter conductor de las fibras de carbono, su incorporación hace que estos recubrimientos poliméricos no se carguen eléctricamente, evitando posibles fallos en la electrónica o incluso aumentando su seguridad.
[1] Para una visión más amplia del campo de las fibras recomendamos: K. K. Chawla. Fibrous Materials. Cambridge University Press (1998).
[2] El rayón es una fibra semisintética con base de celulosa que se obtiene a partir fibras de madera o algodón mediante un tratamiento químico.
[3] L. Yang et al. Compos. Struct. 152 (2016) 617-625. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.05.065.
[4] Estas imágenes son del libro K. K. Chawla. Composite Materials: Science and Engineering. 3ª ed. Springer (2012).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
