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FUNDAMENTOS DE CIENCIA DE

LOS MATERIALES II

2o curso Grado en Ingeniería Mecánica

Actividades de evaluación continua

evaluadas por el profesor-tutor (C.A. Pontevedra)

Alumno DNI

Actividad nº 1

Título de la actividad:

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRA DE CARBONO

1. INDICE

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ..................................................................................................... 2

ANTECEDENTES........................................................................................................................... 2

DESARROLLO ............................................................................................................................... 3

Principales propiedades y características ................................................................................. 3

Modos de obtención y fabricación ............................................................................................ 7

Métodos de fabricación de componentes ................................................................................ 9

Maquinabilidad de los materiales de fibra de carbono.......................................................... 10

Mercado de Fibra de Carbono ................................................................................................. 11

Aplicación de materiales compuestos con fibra de carbono ................................................. 12

Reciclado................................................................................................................................... 13

CONCLUSIONES Y RESULTADOS................................................................................................ 14

FUENTES DOCUMENTALES ....................................................................................................... 15

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2. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

El objetivo principal de este ensayo será la descripción de las principales características, comportamiento, aplicaciones y estudio del deterioro en servicio que experimentan los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono.

¿Cómo se definen y cuales se consideran materiales compuestos en ingeniería?

Esta es la definición que utiliza William F. Smith en su libro Fundamentos de la Ciencia

e Ingeniería de los Materiales.

“Un material compuesto es un sistema de materiales constituido por una mezcla o

combinación de dos o más micro o macro-constituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí”.

La importancia de un material compuesto para la ingeniería radica en que dos o más materiales distintos se combinen para formar un material compuesto cuyas propiedades sean superiores, o en algún modo más importantes que las de sus componentes por separado. Dentro de esta categoría se pueden incluir multitud de materiales (W. F. Smith).

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden

distinguir principalmente dos partes:

Matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Los compuestos se pueden clasificar en tres categorías: con partículas, con fibras y

laminares, dependiendo de la forma de los materiales. El hormigón, que es una mezcla de cemento y grava, es un compuesto con partículas; la fibra de carbono, que contiene fibras de

carbono incrustadas en un polímero, es un compuesto reforzado con fibras; y la madera contrachapada, que tiene capas alternas de chapa de madera, es un compuesto laminar. Si

las partículas de refuerzo están distribuidas uniformemente, los compuestos con partículas tendrán propiedades isotrópicas; los compuestos con fibras pueden ser isotrópicos o

anisotrópicos; los laminares siempre tienen un comportamiento anisotrópico.

3. ANTECEDENTES

Si hacemos un recorrido por la historia encontraremos los primeros materiales compuestos realizados por el hombre hace miles de años en forma de revestimientos o

ladrillos de adobe reforzados con paja e incluso cabellos o crines de animales, técnicas de refuerzo que continúan existiendo hoy en día.

Con respecto a la actividad que nos ocupa, sobre la historia de las fibras de carbono podemos decir que comienza en 1879 cuando Thomas Edison confeccionó los primeros

filamentos de carbono realizados con fibras de algodón y bambú, utilizados para ejercer de filamentos de las primeras lámparas de incandescencia. Más allá de la utilización de estas

fibras para este cometido está el uso industrial de las mismas como refuerzo en materiales compuestos.

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Según la American Chemistry Society (ACS) en uno de sus artículos educacionales

publicado en 2003 acerca de los orígenes de las fibras de carbono de alto rendimiento el comienzo oficial de esta industria tuvo lugar en Cleveland, Ohio en 1886 con la creación de la

National Carbon Company que con los años ha ido cambiando su denominación, debido a las fusiones empresariales, hasta nuestros días en los que se denomina GrafTech International

Holdings desde 2002.

El descubrimiento de las fibras de carbono de alto rendimiento tiene lugar en 1958 cuando la Union Carbide abre su centro tecnológico en Parma a las afueras de Cleveland, fue el Dr. Roger Bacon quién estudió y perfeccionó las actuales fibras de carbono, que han ido evolucionando a lo largo de los años.

Un año más tarde, en las mismas instalaciones, otros científicos comenzaron fabricando estas fibras a partir de rayon tratado térmicamente a temperaturas supriores a

3000⁰C.

A partir de 1960 japoneses e ingleses comienzan desarrollando técnicas para la obtención de fibras de carbono a partir de PAN (poliacrilonitrilo) las cuales han ido sustituyendo a las primeras de rayon debido a que sus características en cuanto a módulo de Young, triplicaban a las anteriores.

Actualmente se fabrican fibras de carbono a partir de rayon, PAN y alquitrán o breas, dependiendo de las necesidades técnicas y costes, estos últimos se han venido reduciendo durante años gracias a las investigaciones y nuevos desarrollos para la producción en este

tipo de industrias.

4. DESARROLLO

Principales propiedades y características

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles

(fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características blandas y quebradizas.

Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono pueden ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una

estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas como en turbostráticas. En las fibras de carbono turbostráticas

las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de

carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2.200°C.

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La mayoría de los compuestos reforzados con fibra consiguen una mejor resistencia a

la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz

transmite la fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas

elevadas.

Las fibras de carbono aportan un refuerzo excepcional en compuestos avanzados basados en matriz polimérica, metálica, cerámica e incluso en compuestos intermetálicos.

Las propiedades principales de este material son:

Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado, dependiendo del tipo de fibra. (Módulo E≈220-270 Mpa)

Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero. (entre 1.7 y 2.1 gr/cm3 vs 7.8 gr/cm3 del acero).

Resistencia a la tracción σT≈3100 Mpa.

% de elongación a la rotura 1.4.

Diámetro final entre 7-10 µm

Resistencia a agentes externos.

Gran capacidad de aislamiento térmico.

Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.

Resistencia a la fatiga, la más alta conocida hasta ahora.

Pero presenta las siguientes desventajas:

Su elevado coste de producción debido al alto consumo de energía y al tiempo de producción de las fibras que puede tardar incluso meses.

Presenta las características mecánicas con una dirección privilegiada (anisotropía).

Debido a la capacidad conductora del carbono hay que prestar atención a las diferencias en el potencial eléctrico, pudiendo favorecer la corrosión de tipo galvánica.

Baja resistencia al impacto de baja energía. Su resistencia al roce es muy baja condicionado por ello su manipulación.

Para comparar las propiedades de estos materiales con otros utilizados en la industria, los cuales pueden ser perfectamente sustituidos, mejorando las propiedades de los

productos construidos a medida que avanzan las investigaciones y se desarrollan nuevas tecnologías están ocupando un lugar importante los materiales compuestos reforzados con

fibra de carbono, veamos una tabla en la que se describen las principales propiedades típicas que se pueden considerar relevantes ante la elección de uno u otro material.

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Propiedades típicas de fibras de refuerzos y otros materiales

Material Diámetro

(µm)

Densidad (ρ) (g/cm³)

Módulo de Young (E)

(GPa)

Resistencia a tracción (σ)

(GPa)

Módulo especifico

(E/ρ)

Dureza especifica

Punto de fusión

(⁰C)

% Elongación rotura

Coste relativo

Fibras

Vidrio E Vidrio S Grafito HM Grafito HS Boro Kevlar 29 Kevlar 49

7 15 7.5 7.5 130 12 12

2.54 2.50 1.90 1.70 2.60 1.45 1.45

70 86

400 240 400 80

130

3.45 4.50 1.80 2.60 3.50 2.80 2.80

27 34.50

200 140 155

55.50 89.50

1.35 1.80 0.90 1.50 1.30 1.90 1.90

1540+ 1540+ >3500 >3500 2300

500(D) 500(D)

4.80 5.70 1.50 0.8

- 3.50 2.50

Bajo Moderado

Alto Alto Alto

Moderado Moderado

Materiales base Acero Aluminio

7.80 2.70

208 69

0.34-2.1 0.14-0.62

27 26

0.04-0.27 0.05-0.23

1480 600

5-25 8-16

<Bajo Bajo

Los valores de rigidez y resistencia que figuran en la tabla deben verse con cierta cautela. La fabricación de las fibras incluye una serie de etapas y la variabilidad de las

propiedades de una fibra a otra es grande aun cuando estén fabricadas mediante el mismo proceso. Entre fibras del mismo material fabricadas mediante diferentes procesos, la microestructura y propiedades resultantes pueden diferir de forma más marcada. Además, la elevada resistencia a la tracción de las fibras recién hechas se reduce, normalmente, debido a los daños superficiales que aparecen como consecuencia de su manipulación y almacenamiento.

Cualquier variación en el tamaño de las fibras da lugar a un rango de valores de la resistencia, ya que cuanto mayor es el diámetro y la longitud de la fibra mayor posibilidad se tiene de que exista un defecto de mayor tamaño y, por tanto, más baja será la resistencia . El que el diámetro sea relativamente pequeño conlleva que la fibra tenga mayor resistencia debido al ―efecto tamaño‖, ya que cuanto más pequeño sea el diámetro de la fibra menor

es la probabilidad de que existan imperfecciones en el material.

La mayoría de las fibras son frágiles y muestran solo deformación elástica antes de

que ocurra la fractura. La deformación se corresponde con el cociente (σTf/Ef)x100, donde y Ef son la tensión de rotura y el módulo de elasticidad, respectivamente. Su valor es pequeño,

excepto en el caso de las fibras de aramida en las cuales aparece el fenómeno de estricción antes de la rotura con una significante cantidad de estiramiento local y reducción del área en

el cuello.

Una imagen global de las propiedades de varios tipos de clases de fibras sintéticas también puede obtenerse del gráfico de la figura en el que se representa la resistencia

específica (σ/ρ) en función del módulo específico.

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Clasificación de las fibras de carbono según sus propiedades:

Fibras de ultra alto módulo (UHM). Son aquellas que presentan un módulo elasticidad superior a los 500 GPa (i.e. < 50% del módulo elástico del monocristal de grafito, 1050 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 300 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 fibras de carbono 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 fibra de carbono las más

importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón; Fibras de carbono a partir de PAN (poliacrilonitrilo), hoy en día este es el precursor más importante para la fabricación de fibras

de carbono y del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales.

Fibras de carbono a partir de breas.

Las fibras de carbono activadas, se 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 activos. Estas fibras también se pueden obtener en forma de telas o fieltros.

Otro tipo de fibras que difiere de las anteriores en cuanto a sus características y método de obtención son las fibras de carbono crecidas en fase de vapor. Estas fibras se obtienen mediante un proceso catalítico de depósito químico en fase de vapor. Aunque de tamaño mucho menor que las anteriores, estas FC presentan una gran variedad de tamaños que van desde unos pocos centímetros hasta las micro y nano fibras.

Las fibras de carbono presentan un amplio rango de estructuras en lo que se refiere a la orientación de los planos grafíticos tanto en la dirección del eje de la fibra como perpendiculares a éste.

Varias estructuras presentadas por las fibras de carbono

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Modos de obtención y fabricación

La fibra de carbono está formada de hilos formados por miles de filamentos de carbono. Cada filamento es un delgado tubo de entre 5 y 8 µm de diámetro. Estas fibras se

pueden presentar como hilos en bobinas o en tejidos de diversas características en cuanto a espesor y resistencia.

Según se describe en “Materiales Compuestos” de Derek Hull, existen tres procedimientos principales para producir fibras con las capas grafíticas orientadas preferencialmente paralelas al eje de la fibra como se describen:

Orientación del polímero precursor por estiramiento. El PAN (Poliacrilonitrilo) se emplea como material de origen, en el primer estado del proceso la base de PAN se convierte en una fibra que se estira provocando la orientación de las cadenas moleculares a lo largo del eje de la fibra. Cuando se la calienta la fibra estirada, los grupos activos nitrilo interaccionan y producen un polímero en escalera que consta de una fila de anillos hexagonales. Mientras la fibra esta todavía bajo tensión se calienta en una atmósfera de

oxígeno que conduce a la siguiente reacción química y a la formación de enlaces cruzados entre las moléculas de la escalera. El PAN oxigenado se reduce entonces para dar la

estructura de anillo de carbono que se convierte en grafito turbostrático por calentamiento a temperaturas más altas. El módulo de elasticidad y la resistencia de las fibras dependerán de

la temperatura del tratamiento de calentamiento final que determina el tamaño y la orientación de las cristalitas. Se ha desarrollado u proceso similar utilizando rayon como

precursor.

Orientación por hilado. Este método consta del moldeo de hilos de alquitrán fundido para producir fibras. La pasta de alquitrán se trata térmicamente para convertirla, por polimerización, en una mesofase bituminosa que se hila a través de una hilera compuesta de multiorificios para conseguir un hilo “crudo”. Durante este proceso de hilado los efectos hidrodinámicos en el orificio ocasionan la orientación de las moléculas planas, pudiéndose

inducir diferentes clases de orientación. El hilo se hace infundible por oxidación a temperaturas por debajo de su punto de ablandamiento para evitar la fusión de los filamentos en un conjunto. Se carboniza entonces a temperaturas normalmente alrededor de los 2000⁰C. Se requerirán esfuerzos de tracción durante algunas de estas etapas para prevenir la relajación y pérdida de la orientación preferencial. El tamaño final de las fibras

basadas en cristalitas de mesofase bituminosa es normalmente mayor que el de las fibras basadas en rayon o PAN.

Orientación durante la grafitización. A temperaturas muy altas las fibras carbonizadas a partir de rayón, alquitrán o PAN pueden estirarse durante la etapa de grafitización. Esto tiene como consecuencia el deslizamiento de las capas de grafito unas sobre otras y la posterior orientación de las capas paralelamente al eje de la fibra.

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Esquema de un sistema de producción de fibra de carbono

La fibra de carbono se vende en el mercado en forma de hilos para fabricar material

compuesto. Los tamaños típicos del hilo son 1K (K=1000 filamentos), 3K, 6K, 12K, 24K, 48K, 120K, 320K etc.

Existen varias presentaciones de laminados de fibras de carbono, tales como fibras

orientadas en forma unidireccional; fibras agrupadas en grupos de mechas, donde las mechas pueden orientarse en forma aleatoria o pueden ordenarse como un tejido.

De izquierda a derecha plano, satinado y sarga (tejido formando diagonales) .

Algunos formatos comerciales de tejidos de fibra de carbono

Otros modos de presentación son en bobina (tows) para la fabricación mediante procesos de enrollamiento, triturado (choped) para fabricación por proyección, etc.

Bobina de fibra de carbono y fibra de carbono triturada

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Métodos de fabricación de componentes

En la fabricación de los materiales compuestos de fibra de carbono se san una gran

variedad de procesos, cada uno de los cuales requiere de materiales intermedios. Entre ellos los pre-pregs son los más usados. Alrededor del 54% de la fibra de carbono producida en

todo el mundo durante 2011, se empleó en fabricar pre-pregs, sobre todo para usar en Autoclave. De este porcentaje 42% son tejidos unidireccionales y 12% tejidos de trama y

urdimbre. Otro 5% de la fibra de carbono se empleó para productos que se fabrican por molde cerrado (como RTM o infusión). Otros procesos importantes en el consumo de fibra

de carbono fueron Filament winding (15%) y Pultrusión ( 8%), donde se usaron en forma de hilos. El18% restante de la fibra de carbono se empleó cortada o en polvo (3/4 de fibra corta

y :4 en polvo), El 92% de sus aplicaciones fueron para artículos de electrónica, pero estos polvos y fibras cortas también se usaron en las fabricaciones anteriores y el 8% restante en

otras aplicaciones como SMC, papel, industrias de la construcción y para generar conductividad en una gran variedad de productos.

La mayoría de las aplicaciones de fibra corta de C fueron para artículos de electrónica, como ordenadores portátiles, impresoras Y. artículos de oficina. La principal aplicación de la FC molida (aproximadamente el 90%) fue para tarjetas de plástico portadoras de chip.

Una vez hemos visto algunos métodos de fabricación de las fibras y sus presentaciones en el mercado, analizaremos algunos de los métodos utilizados para la

obtención de piezas.

Por contacto a mano. Este es el proceso más simple para fabricar piezas con

materiales compuestos, siendo la primera técnica que se utilizó en la fabricación de laminados de matriz polimérica reforzada con fibras.

Pultrusión. Es un proceso productivo para la producción en continuo de perfiles con secciones constantes en material compuesto de fibras de vidrio, basalto, carbono y fibras naturales.

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Enrollado de filamentos. Es una técnica de fabricación para manufacturar materiales

compuestos. El proceso involucra enrollar filamentos sobre un molde macho o mandril. Los filamentos más comunes son carbono o fibra de vidrio y son recubiertos con resinas

sintéticas conforme se van enrollando. Una vez que la resina ha curado, se saca el mandril, dejando el producto final hueco.

Además de estos métodos existen otros muchos que dependen de la técnica utilizada para el moldeo de las piezas, uno de los más utilizados en la fabricación de piezas de fibra de

carbono es el conformado en caliente, método empleado para la fabricación de perfiles y de formas superficiales complejas a partir de laminados realizados sobre superficies planas (orientadoras o fijadoras de forma) con posterior tratamiento de curado. Se utilizan tanto moldes hembra como macho en función de las características que se desean obtener y de la complejidad de la pieza. Se suele recurrir a técnicas de aplicación de vacio (para evitar formación de bolsas de aire y asegurar la distribución de la matriz) con posterior curado mediante tratamiento térmico en autoclave. Se suele recurrir a menudo a fibras preimpregnadas con matriz polimérica en lugar de añadir la matriz sobre el molde.

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Maquinabilidad de los materiales de fibra de carbono

Los materiales compuestos se fabrican casi con su forma final, por lo que se necesitan

pocas operaciones de mecanizado posteriores. Entre ellas destacan el fresado que se realiza para ajustar el material a su contorno final, y el taladrado para su posterior unión a otros

elementos, que pueden ser materiales compuestos o no. Con frecuencia, este tipo de operaciones resultan muy complicadas por lo que es conveniente investigar el

comportamiento de este tipo de materiales en los distintos procesos de mecanizado.

Las principales dificultades en el mecanizado de los materiales compuestos son:

Coexistencia de un material blando (matriz) con uno resistente y muchas veces abrasivo. El éxito de la operación depende generalmente de la naturaleza de las fibras y poco de la naturaleza de la matriz.

Un material heterogéneo y anisótropo puede ser fácilmente mecanizado en un sentido, pero no en el otro. Así, en el acabado de un contorno cerrado unos lados pueden quedar perfectos y sin embargo los transversales muy dañados.

Existe la posibilidad de dañar el material, produciendo su delaminación, quemándolo o rompiendo su estructura.

Entre estos problemas, este último es el más importante, dado que el material compuesto posee inicialmente un elevado valor añadido debido a su proceso de fabricación, a su conformado y a su curado, justo antes de llegar al mecanizado. Para evitar los problemas citados anteriormente se toman las siguientes medidas:

Para evitar problemas de ataque químico al material por parte de la taladrina, los

materiales compuestos se mecanizan en seco, absorbiendo las virutas y polvo por medio de aspiradores de alta potencia instalados en las máquinas.

El rozamiento más la ausencia de fluido de corte, pueden provocar altas temperaturas que degradan el material. Para evitar el quemado se debe mecanizar con una

herramienta adecuada y refrigerar la zona con aire a presión.

Pueden existir problemas de aparición de microgrietas, sobretodo en los materiales compuestos con matriz metálica. Para evitarlo se debe mecanizar con herramientas muy afiladas evitando condiciones que produzcan un excesivo calentamiento del material.

Se debe evitar el deterioro mecánico que conduce a la delaminación del compuesto, al astillado de las fibras o a la aparición de la pelusilla. Para ello se debe mecanizar en una dirección acorde con la direccionalidad de las fibras, utilizando herramientas de filos muy

definidos. En el caso del taladrado se debe estudiar con especial cuidado este fenómeno en la entrada y la salida de la broca.

Las operaciones que se realizan en su mayoría sobre los materiales compuestos son el fresado y el taladrado. No es muy frecuente efectuar un torneado.

También suelen aplicarse procesos no convencionales de corte, como el corte por láser o por chorro de agua a alta presión.

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Mercado de Fibra de Carbono

La demanda de fibra de carbono, en 2010, fue de 33.000 t y en 2011 se alcanzaron las

37.000t, cifra que ha llevado ya a estimar mayores cifras de consumo para los años próximos. En 2012, se estimaba que el consumo sería de 42.000 t. y que para 2015 llegaremos a

73.000t. Estas estimaciones, altamente optimistas, recogen los proyectos declarados de incrementar su capacidad de producción por parte de las siguientes compañías fabricantes

de fibra de carbono:

Toray planea incrementar su capacidad de producción en un tercio (aprox. 6.000 t) para final

de 2015, en tres de sus factorías.

El holding moscovita "Kompozit" y el grupo ruso de energía atómica RosAtom quieren construir una planta en la zona de economía especial de Alabuga, cerca de Yelabuga, con una capacidad de 1.500 t./a. para 2013.

Taekwang Industrial Co Ltd (Ulsan/Corea del Sur) inició en marzo 2012 una planta de fibra de carbono, en cuyo proyecto invirtió un total de € 100 millones para hacer a su país menos dependiente de las importaciones de fibra de carbono.

Hyosung quiere poner su primera planta de fibra de carbono (tow <48k / 2000 t./a.) en la ciudad de Jeonju/Corea del Sur, para principios de 2013.

Kemrock Industries and Exports Ltd. en Vadodara/lndia, Gujarat, abrió una planta de fibra de carbono con una producción anual de 400 t. en 2011

Zoltek Corp. está invirtiendo 15 millones$ en una planta de investigación sobre fibra de acarbono ubicada en St Peters Missouri/ USA.

Hohhot Haoyuan Carbon Fiber Co. Ltd (lnner Mongolia /China) planea invertir alrededor de $2 billones en la producción de fibra de carbono. No existe información muy veraz acerca de

esta noticia.

Capacidad de producción de los distintos fabricantes en 2011.

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En 2011 la capacidad teórica máxima de producción de fibra de carbono en el mundo

era de 90.000 t, siendo USA el mayor fabricante con un 29%, seguida por Europa y Japón con un 25% cada uno y China un 9%. Todos los análisis predicen que China se expansionará

notablemente en los próximos años.

Aplicación de materiales compuestos con fibra de carbono

El uso más frecuente de los materiales compuestos de fibra de carbono ha sido en palas eólicas (23%), donde el 77% de la fibra de carbono empleada fueron pre-pregs UD, un

20% fibras para pultrusión y aproximadamente un 3% como tejidos. Le siguen las aplicaciones de fibra corta (18%) que como ya hemos dicho van sobre todo a electrónica.

En el sector Aeroespacial (16%), domina la construcción de aviones, con aprox. 11 puntos del consumo, (8 de ellos en aviación civil). El consumo en naves espaciales supone otro punto y el restante 4% de este sector es para las aplicaciones auxiliares, tales como motores, herramientas, etc.

En el área de Deporte y Recreo (16%), las piezas fabricadas son, en primer lugar palos de golf, raquetas de tenis, bicicletas y cañas de pescar (12%). El restante 4% se usa en productos tales como embarcaciones y palos para otros deportes (como hockey).

La industria de la Construcción (9%) fue el quinto mercado consumidor de

compuestos reforzados con fibras de carbono, pero se espera un crecimiento del 132% para 2020. De los compuestos con fibra de carbono consumido en este sector, el 44% lo fue para reforzar cemento, otro 37% se empleó en la restauración de puentes y túneles, un 10% en nuevas obras públicas y el otro 9% en varios. En cuanto al tipo de fibra de carbono usado en construcción, el 58% fueron tejidos consumidos como refuerzos, el, 22% material para pultrusión (bandas y tiras), el 19% pre-pregs UD y el1% restante de fibra corta.

Actualmente, el uso de compuestos reforzados con fibra de carbono en el sector Automóvil (6%) es relativamente bajo, pero sin embargo, con la entrada de BMW en el mercado (vehículo Megacity) y los avances hechos para la fabricación de piezas en serie, se esperan crecimientos bastante superiores a los de los otros sectores.

En el sector de los Tanques de presión (6%), la mitad de los compuestos reforzados

con fibra de carbono usados son para contenedores de gas natural, sobre todo para usar en automóviles. El otro 3% también se emplea en contendedores presurizados de gases.

Reciclado

El reciclaje de fibra de carbono de restos de compuestos aeroespaciales tiene tanto beneficios ambientales como comerciales. El cambio de la escala piloto a operaciones

industriales está progresando.

Con unos residuos estimados en 3.000 toneladas de residuos de compuestos de fibra

de carbono generados solamente en USA y Europa.

Ninguno de los procesos actuales de eliminación de CFRP (vertederos e incineración) es óptimo, y las regulaciones ambientales pueden llevar a la prohibición de ambos procesos.

El potencial de reciclado de este producto es interesante y por ello compañías

grandes y pequeñas buscan reutilizar este “oro negro” mediante procesos compatibles con el

medio ambiente.

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Sin embargo, el desarrollo de la industria de reciclado de CFRP está en sus inicios y

los procesos diseñados hasta ahora son costosos y complicados principalmente por tratarse de materiales de ingeniería de alto rendimiento.

Adherent Technologies Inc. (ATI) es una compañía de Alburquerque, Nuevo México (USA), que lleva trabajando con reciclaje de fibra de carbono desde 1995.

ATI desarrolló la tecnología de conversión catalítica centrada en el proceso de reciclado de fibra de carbono basada en lotes combinando tres diferentes procesos estudiados en la pasada década, cada uno con ventajas y limitaciones específicas.

La pirólisis en vacío, es un proceso seco operado a unos 500 ⁰C, que recupera resinas como un líquido comercializable y es escalable a capacidades multi-toneladas. A esa

temperatura, sin embargo, el producto de fibra puede retener residuos de oxidación o carbonización.

El proceso de líquido a baja temperatura de la compañía opera a 150 ⁰C, funciona a menos de 150 psi en equipos standard, y produce fibra lista para el mercado, pero no es particularmente tolerante a trocitos de contaminantes (tales como metales, trocitos de alambre, pintura, sellantes, etc).

La pirolisis de microondas es otra forma de reciclar CFRP está bajo desarrollo por compañías y universidades en USA, UK y Alemania. Generalmente la energía de microondas

absorbida por las propiedades conductivas de la fibra de carbono calienta la resina de la matriz internamente. Esto puede originar una descomposición de la resina más rápida y

recuperación de fibra sin formación de carbonización, acortando el tiempo de procesamiento total, y requiriendo equipos de escala más pequeña.

La primera línea de reciclaje por pirolisis en continuo ha sido puesta en operación por Recycled Carbon Fibre Ltd (RCF) en West Midlands, UK.

5. CONCLUSIONES Y RESULTADOS.

En los próximos años, una de las grandes tendencias será aumentar la movilidad urbana, sin destruir recursos naturales. Para ello, la construcción con materiales ligeros será

el mayor objetivo de todos los medios de transporte. Disminuir el peso contribuye a aumentar la eficiencia y a disminuir costes. Aquí también destaca el extraordinario potencial

de los CRP frente a otros materiales. Si en el diseño de las piezas se explotan de forma eficiente las propiedades de los CRP, se pueden conseguir piezas 70% más ligeras que el

acero y 30% más que el aluminio. Sin embargo, solo se pueden alcanzar beneficios,

ecológicos y económicos de forma tangible, si la construcción ligera se emplea a gran escala. Para conseguirlo de forma efectiva se requiere disponer de procesos de fabricación automáticos.

Las relaciones precio vs eficacia decidirán cuáles serán las combinaciones de materiales que se adopten para cada aplicación en el futuro, y la elección se decidirá más por los aspectos ecológicos que por los económicos.

Los análisis del ciclo de vida de cada material o combinación de materiales, y su eficacia tecnológica, serán los factores decisivos para su futura elección.

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6. FUENTES DOCUMENTALES

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