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Somos Teresa Majeroni y Ángel Aparicio y hoy vamos a hablar, de primera mano, sobre fibra de carbono en CESVIMAP podcast.
Lo primero es definir ¿qué es la fibra de carbono?
La fibra de carbono es un producto de ingeniería especialmente desarrollado en el campo de los materiales compuestos. Utiliza en su fabricación fibras unidas con resinas sintéticas, que dan lugar a materiales de alta calidad, con baja densidad, gran durabilidad y resistencia. Se trata de un polímero no metálico entre tres y cinco veces más ligero que el acero y unas seis veces más resistente a la fatiga que éste.
Así, sus principales características son:
- Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
- Baja densidad, en comparación con otros materiales como por ejemplo el acero.
- Elevado precio de producción.
- Resistencia a agentes externos.
- Gran capacidad de aislamiento térmico.
- Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, solo si se utiliza matriz termoestable.
- Resistente al fuego
- Frágil a los impactos.
¿Cuándo se incorporó la fibra de carbono al automóvil?
Aproximadamente, en los años 80, concretamente en 1981el fabricante McLaren lo introdujo en el sector de la Fórmula 1.
Los equipos rivales de Mclaren, lo tacharon de "plástico negro" e ironizaban si se podría desintegrar en caso de accidente (se conocían las pruebas que había realizado Rolls Royce con este material en los motores de sus aviones. No habían resultado del todo satisfactorias, debido a que se rompían al chocar con las aves...).
Pero todas estas dudas fueron disipadas muy pronto, concretamente en el Gran Premio de Italia, celebrado en Monza ese mismo año, cuando John Watson, piloto de Mclaren, sufrió un tremendo accidente en el que, además de chocar contra las barreras a la salida de Lesmo 1, su coche sufrió una espectacular explosión. Muchas de las personas que estaban allí presentes pensaron que había muerto, pero el joven Watson no tardó en salir ileso de su coche. Acababa de convertirse en el primer piloto en ser salvado por las bondades de este material.
"Si hubiera tenido este accidente en un habitáculo tradicional de aluminio, imagino que habría resultado herido porque el aluminio es mucho menos resistente que el carbono", afirmó entonces Watson. Así fue como McLaren empezó a tomar la delantera en este terreno, ya que su coche no sólo era el más ligero, sino también muy rápido, como confirmaron con la victoria del Gran Premio de Gran Bretaña de 1981.
¿De dónde se obtiene la fibra de carbono?
Se obtiene de productos derivados del petróleo, brea de alquitrán de hulla, resinas fenólicas, productos derivados de la celulosa como el rayón, poliacrilonitrilo >PAN<... Este último es el más utilizado.
¿Cuál es el proceso de fabricación? Y ¿los fabricantes la combinan junto con otros materiales? (he oído hablar del kevlar)
El poliacrilonitrilo >PAN< es una fibra formada por largas cadenas de moléculas de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, en forma de escalera. El proceso para conseguir la fibra de carbono consiste en someter a un calentamiento al precursor, para hacer un proceso de separación de las cadenas moleculares de carbono y demás elementos, que se separan o se destruyen formando una estructura estable de anillos hexagonales.
Los hilos resultantes son trefilados en filamentos superfinos (6–10 μm), compuestos entre el 92 y el 100% de átomos de carbono.
En resumen, la fibra de carbono >FC< del precursor >PAN<, es el resultado de la quema controlada de nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y todos los elementos diferentes del precursor, para dejar solamente el carbono.
Cada tipo de precursor tiene su técnica de procesado, pero en general todos siguen una misma secuencia, tomando como base un proceso de fabricación cuyo precursor es el PAN. Se pueden distinguir las siguientes etapas: estabilización, carbonización, grafitización y tratamiento de superficie:
a) Estabilización: en este proceso, las fibras se estiran en un horno de oxidación a una temperatura de 200-300 ºC para conseguir la estabilidad dimensional.
b) Carbonización: las fibras son sometidas a temperaturas superiores a 1000 ºC en atmosfera inerte. La estabilidad dimensional evita que se fundan, orientándose los anillos hexagonales a lo largo del filamento.
c) Grafitación: consiste en un nuevo calentamiento a una temperatura de 2000-2500 ºC. En este proceso, los cristales de carbono aumentan de tamaño, mejorando la orientación de la fibra. De 2500 a 3000 ºC se consiguen fibras de grafito de muy alto módulo. Adquieren una estructura plana triangular con enlaces triples y dejan un electrón libre. Este electrón libre explica que el grafito sea una de las pocas estructuras no metálicas que conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora.
La fibra resultante se compone de filamentos de carbono en forma de hebra, trenzada formando mechas de entre 1.000-400.000 filamentos. Consigue gran variedad de productos con una amplia gama de resistencia.
Tejidos híbridos: es la combinación conjunta de diferentes fibras, los más comunes son carbono-kevlar, carbono-vidrio o los tres. Pudiendo incorporar las propiedades de las fibras para conseguir el comportamiento requerido de rigidez y resistencia al impacto.
La fibra de carbono >FC< por sí sola no tiene utilidad. Necesita de otro material, como puede ser una resina y un catalizador, para formar un material compuesto, denominado >CFRP< o Plástico Reforzado con Fibra de Carbono. Un ejemplo de material compuesto puede encontrarse en la naturaleza, los árboles que son estructuras compuestas, formadas por fibras de madera y resinas naturales, soportando grandes esfuerzos provocados por el viento y su propio peso.
Las fibras soportan las cargas, absorben los esfuerzos de tracción en la dirección axial de las mismas y dan rigidez al conjunto.
Las resinas transmiten las cargas a las fibras, dan cohesión al conjunto, obligando a las fibras a trabajar de forma conjunta, aíslan las fibras entre ellas, trabajan de forma separada evitando la propagación de fisuras, y aportan rigidez y protección de los agentes ambientales y químicos. En sentido perpendicular a la dirección de las fibras, las propiedades resistentes serán exclusivamente las que aporta la matriz.
Otro modo principal de uso de los materiales compuestos es en forma de estructuras tipo sándwich, compuesta de un núcleo de aramida o aluminio tipo celdilla de abeja, madera de balsa, >PVC< o >PUR< expandido, corcho, etc., y dos recubrimientos monolíticos de fibra de carbono >FC<. Núcleo y recubrimientos actúan como una unidad, debido a que están unidos por el adhesivo.
Como norma general, la rigidez y la flexión de estas estructuras es proporcional al cubo de su grosor. El propósito del núcleo en la estructura es incrementar la rigidez del laminado, aumentando el espesor con un material de baja densidad. Puede aumentar la resistencia 37 veces, incrementando el peso en tan solo el 6%.
La fibra de carbono es muy resistente, según el módulo, pero ¿cómo se puede clasificar?
A partir de las temperaturas del tratamiento, se clasifican tres tipos diferentes de fibras de carbono:
Fibras de alta resistencia
Es la más barata tiene una rigidez menor pero la resistencia es buena, en su tratamiento se emplean las temperaturas más bajas, son de aplicación general en industria aeronáutica civil y parcialmente espacial y militar. También se emplean como tejidos de refuerzo.
Fibras de modulo intermedio:
Son las más fuertes y se carbonizan a la temperatura que proporciona la mayor resistencia a la tracción, se usan en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones estructurales de alta responsabilidad estructural.
Fibras de alto módulo o fibras de grafito:
Estas fibras son las más rígidas y requieren la mayor temperatura en el tratamiento, se utilizan en la industria espacial para aplicaciones que requieran muy alta estabilidad térmica.
Partiendo del hilo de fibra de carbono >FC<, se realizan diferentes tejidos para formar telas o mallas. Dependiendo de la orientación del tejido, la tela puede ser más fuerte en una dirección determinada o en todas las direcciones. Las mejores propiedades se consiguen cuando las fibras se “entretejen” en la dirección de las tensiones que tienen que soportar.
Y ahora vamos con su utilidad práctica en la automoción. ¿La incorporan solo los coches de altas prestaciones, por así decirlo, o ya es mayoritariamente usada en el automóvil?
Como ya hemos comentado, desde la primera incorporación de la fibra de carbono a los automóviles en la Fórmula 1, en 1981, no se ha parado de incorporar al resto de vehículos, no solo a los deportivos sino a todos los modelos de las diferentes gamas, motocicletas y bicicletas.
La aparición de los coches eléctricos supone un gran reto para la mayoría de fabricantes, conseguir bajos consumos, mayor autonomía, aumento de la seguridad, etc., son factores importantes para conseguir las necesidades de los futuros usuarios.
Vamos con ejemplos. Háblanos de qué modelos de coches la incorporan y qué piezas suelen ser de fibra de carbono.
Alfa Romeo Giulia y Alfa Romeo Stelvio, dos modelos de tracción trasera/integral que emplean un eje de transmisión de fibra de carbono para llevar el par desde la salida de la caja de cambios hasta el diferencial trasero. Con ello se logra reducir el peso del conjunto, pero además el de un elemento de transmisión. Esto es muy importante, ya que a menor masa, menor inercia, y por tanto, se pierde menos potencia a la hora de acelerar.
Los eléctricos de BMW incorporan la carrocería completa de >FC< y también como refuerzo estructural en otros modelos.
Se usa en carcasas de retrovisores, llantas, paneles de carrocería -como capó o techo-, componentes aerodinámicos, como deflectores de aire, alerones, difusores...
¿Qué tiene de ecológico o sostenible este material?
La reducción de peso para el ahorro energético, gran resistencia mecánica y calidad final, son las principales ventajas que tienen en cuenta los fabricantes para utilizar la fibra de carbono.
Y si nos adentramos en el mundo del taller ¿la fibra de carbono es sencilla de manipular? ¿o requiere operarios especializados y herramientas específicas o caras, además de tiempo? Y, sobre todo, ¿se puede reparar o hay que sustituir? Ya sabemos que esta decisión se toma en función de si es técnica y económicamente posible reparar...
Toda reparación es el proceso al que se somete a un elemento defectuoso, para que una vez reparado, este cumpla los requisitos prestablecidos para los que fue diseñado. La >FC< no es sencilla de reparar.
Para realizar estas reparaciones es necesario cierta cualificación.
Los materiales y equipos necesarios son:
- Fibras de carbono tejidas secas o preimpregnadas de las mismas características que a la pieza a reparar
- Resina epoxi.
- Equipo de vacío.
- Láminas de plástico para el vacío.
- Capas de materiales porosos, permeables y absorbentes, que permitan extraer el exceso de resina.
- Brochas
- Espátulas de plástico o metal
- Rodillos de plástico o aluminio
- Taladro y fresadoras
- Radial y sierra neumática
- Lijas y discos
Los materiales preimpregnados son semiproductos listos para su empleo y destinados a la producción de grandes series. Consisten en un proceso manual, que emplea láminas de fibra de carbono >FC< en cualquiera de las presentaciones mencionadas anteriormente. Están impregnadas en resina reactiva en estado inicial de polimerización y precisan de un procesado final para su completa polimerización, normalmente mediante calor (85-140ºC). El producto es termoendurecible.
La decisión de reparar o desechar una pieza dañada se determina considerando la magnitud de la reparación necesaria, los gastos de reparación, la zona y accesibilidad de los daños y la disponibilidad (o no) de medios de reparación adecuados.
¿Cuáles son las técnicas para reparar? (fibra seca/ húmeda) y, sobre todo ¿qué tipo de daños se reparan: superficiales, estructurales... Afecta también al área de pintura? En CESVIMAP ¿qué hemos reparado? ¿lo enseñamos a los institutos en tus master class?
Las técnicas aplicables son diferentes en cada daño y en función de las solicitaciones de la pieza que pueden ser estéticas o estructurales.
Los daños reparables son:
Roces superficiales, daños en los que solamente está dañada la capa exterior, generalmente no afectan la integridad estructural de la pieza.
Fisuras, daños en los que la fibra de carbono >FC< está agrietada, el daño es extenso y se necesita devolver el comportamiento estructural.
Falta de material, rotura de la pieza con perforación y falta de material.
En CESVIMAP llevamos trabajando con la >FC< desde 2010, hemos reparado infinidad de cuadros de bicicletas, elementos estéticos, carrocerías, etc.
Lógicamente siempre que se repara una pieza es necesario pintarla, de color y solamente barniz, el problema más habitual es la aparición de poros, esto se soluciona mediante la aplicación de aparejo transparente.
Este conocimiento que hemos adquirido lo divulgamos en las master class que nos solicitan IES o Universidades, y en cursos específicos de reparación.
¿Los peritos conocen este material para su valoración?
Los peritos de MAPFRE conocen las técnicas de reparación porque han recibido un curso impartido en CESVIMAP.
Existen multitud de empresas que suministran infinidad de piezas de vehículos que se instalan como recambio alternativo y el fabricante de los mismos no las contempla como recambio. Los turismos disponen de un mercado amplio de capos, aletas, paragolpes, piezas interiores, etc., las motocicletas incorporan muy pocas piezas de fibra de carbono de origen, pudiendo optar por un número reducido de piezas originales en el momento de la compra. El perito tiene que saber distinguir le pieza original de la pieza copiada.
¿Tiene las mismas peculiaridades que el grafeno?
El grafeno es diferente, tiene muy buenas propiedades y se utiliza en este caso para dopar la matriz (resina) en la fabricación de piezas de FC.
Fede, un placer
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