UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PARCIAL No.3

NOMBRE DEL ALUMNO: Sergio de Jesús Contreras Rosales

NOMBRE DEL PROFESOR: Dr. Jesús Manuel Rivas Martínez

ContenidoFibras de carbono.__________________________________________________________3

Microestructura________________________________________________________________3

Propiedades___________________________________________________________________8

Proceso_______________________________________________________________________9Tipos de fibra de carbono_______________________________________________________________9

Aplicaciones___________________________________________________________________10

Referencias______________________________________________________________10

Fibras de carbono.MicroestructuraLas fibras de carbono de alta resistencia y alto módulo tienen un diámetro de 7 a 8 micrómetros y constan de pequeñas cristalitos de grafito “turbos tratico” (una de las formas alotrópicas del carbono). En un mono cristal de grafito los átomos de carbono se ordenan en redes hexagonales, como se ilustra en la fig. 2.1, que se colocan unas sobre otras en una secuencia ABAB… Los átomos de las capas o planos base se mantienen unidos por enlaces covalentes muy fuertes existiendo fuerzas débiles de Van der Wall entre las capas. Esto significa que las unidades de cristal básicas son altamente anisótropas; el módulo de Young paralelo al eje c normal al plano base es 30 GNm-2. El espacio entre las capas es 0.335nm. El grafito turbos tratico se parece mucho se parece mucho a los mono cristales de grafito excepto que los planos de las placas no tienen un empaquetamiento regular en la dirección del eje c y que el espaciado medio entre los planos de las capas es aproximadamente 0.34 nm.

Para obtener un alto módulo y resistencia los planos de las capas del grafito deben estar orientados paralelamente al eje de la fibra.

En la práctica las unidades cristalinas son muy pequeñas y están orientadas de forma imperfecta con muchos fallos y defectos. Se puede obtener una idea de la estructura a partir de la representación

esquemática de la fig. 2.2 que está basada en estudios de microscopia electrónica y de dispersión de rayos x

Las fibras dependerán de la temperatura del tratamiento de calentamiento final que determina el tamaño y la orientación de las cristalitos. Se ha desarrollado un proceso similar usando rayón como precursor.

b) Orientación por hilado. Este método, que fue iniciado por Otani y sus colegas en Japón, implica el moldeo de hilos de alquitrán de carbón o petróleo se trata térmicamente a una temperatura alrededor de 350 °C para convertirla, por polimerización, en una “meso fase bituminosa” que contiene material isótropo y anisótropo (fase de cristal líquido). La meso fase bituminosa se hila fundida a través de una hilera compuesta de multiorificios para producir un hilo “crudo”. Durante este proceso de hilado los efectos hidrodinámicos en el orificio ocasionan la orientación de las moléculas planas. Pueden inducirse diferentes clases de orientaciones dependiendo de las condiciones del hilado. 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 carburiza entonces a temperaturas normalmente alrededor de los 2000°C. 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 cristalitas de las fibras basadas en meso fase bituminosa es normalmente mayor que el de las fibras obtenidas a partir de rayón o PAN.

c) Orientación durante la grafitización. A temperaturas muy altas las fibras carburizadas obtenidas a partir de rayón, alquitrán o PAN, como se describió anteriormente, 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.

Todos estos procesos pueden llevarse a un posterior desarrollo y a una sofisticación incrementada. Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas de acuerdo con su comportamiento, costo, facilidad de fabricación y calidad del producto requerido.

Podrán modificarse la ordenación de las capas y la perfección de la orientación por selección del proceso y de las variables del mismo, pudiéndose optimizar las propiedades físicas para reunir los

Requerimientos de una aplicación específica. Bastarán dos ejemplos: las propiedades de las llamadas fibras de alto módulo tipo I y tipo II obtenidas por el proceso del PAN descrito anteriormente en a) se exponen en la tabla 2.1. Las fibras tipo I han sido gratificadas para obtener una rigidez máxima pero tienen una resistencia relativamente baja, mientras que las fibras del tipo II se han grafitizado para producir una resistencia máxima. La variación de la resistencia y la rigidez con la temperatura de grafitización final se muestra en la fig. 2.5, la cual se basa en el trabajo pionero de Watt, Phillps & Johnson (1966).

El módulo elástico de las fibras del tipo I de 390 GN m-2 es aproximadamente un 40% del módulo de los cristales de grafito en las direcciones paralelas a los ejes a (ver Fig. 2.1). Por tanto, son posibles módulos elásticos superiores si se mejora la perfección de las fibras. La resistencia a atracción de las fibras del tipo II es 2.7 GN m-2, estando muy por debajo de la resistencia teórica. Esto es debido a la pobre orientación y a las grietas aparecidas durante la fabricación. Las fibras de carbono son casi completamente frágiles y muestras una recuperación elástica del 100% cuando se someten a esfuerzos inferiores al esuerzo de rotura. Las curvas de esfuerzos-deformaciones de las fibras del tipo I y II en la fig. 2.6 muestran que las fibras de alto módulo de elasticidad tienen una deformación de rotura muy inferior (0.5%) comparadas con las fibras de alta resistencia (1.0%).

Como era de esperar, considerando la microestructura de las fibras y en particular la orientación de los planos de las capas, el módulo elástico longitudinal y son dependientes de la estructura de las capas.

Un aspecto importante de las propiedades mecánicas de las fibras es su variabilidad. Ensayos de tracción de fibras aisladas muestran un amplio margen de valores de resistencia. Por ejemplo, Proctor (1972) publicó que en fibras de tipo I obtenidas en una misma carga la resistencia a atracción varió entre 0.5 y 4.3 GNm-2 y que el módulo de Young osciló entre 270 y 580 GNm-2. De forma parecida, los ensayos de tracción sobre las fibras muestran que la resistencia media medida es dependiente en gran medida de la variación de las longitudes de las muestras del ensayo, por ejemplo, desde 2.1 GNm-2 para una longitud calibrada de 1 cm. A 1.1 GNm-2 para una longitud calibrada de 20cm. Este tipo de variación es típico de fibras que contengan una distribución de grietas a lo largo de su longitud, puesto que la probabilidad de que haya una grieta en una longitud dada, en la selección de prueba, crece cuando se aumenta la longitud de la muestra. Como con todos los materiales frágiles es necesario usar un estudio estadístico para contabilizar la resistencia de las fibras y haces de fibra considerándose este aspecto con más detalle en la selección 7.2.

Propiedadesa) Elevada resistencia y rigidezb) Alta resistencia a la vibraciónc) Buen comportamiento a la fatigad) Buena conductividad térmicae) Buena conductividad eléctricaf) Bajo coeficiente de dilatación térmicag) Resistencia a altas temperaturash) Elevada resistencia química a ácidos, disolventes y alcálisisi) No se ven afectadas por el contacto con agua de mar

Como desventaja principal podemos mencionar su elevado coste, por lo que se suelen combinar con otros materiales de refuerzo más económico.

Principales propiedades de la fibra de carbono

Tipo Carbono HT Carbono HM Carbono IMResistencia a la tracción (GPa)

2.6-5 2.0-3.2 3.4-5.9

Módulo elástico (GPa) 228-238 350-490 280-400Densidad (Kg/m3) 1740-1830 1790-1910 1730-1800Alargamiento a la rotura

(cc )

1.2-2 0.4-0.8 1.1-1.9

Resistencia específica(GPa∗cm3

g¿

1.5-2 1.1.-1.7 2.0-3.1

Módulo específico ( 127-134 190-260 160-200

GPa∗cm3

g¿

Transmisión térmica (10−6

° K)

-0.1 a -0.7 -0.5 a -1.3 …..

Diámetro del filamento(µm)

7-8 6.5-8 5-7

ProcesoLas fases del proceso para la obtención de una fibra de carbono procedente de fibras de poliacrilonitrilo son las siguientes:

Estabilización y oxidación: las fibras son estiradas para alinear sus redes internamente; luego se produce un calentamiento en atmósfera oxidante desde temperaturas de 200° - 250°C manteniendo la tensión sobre las fibras.

Carbonización: calentamiento en atmósfera inerte a temperaturas de hasta 1500°C se eliminan fundamentalmente el H y N de la fibra original, transformándose en fibras de carbono.

Grafitación: calentamiento en una atmósfera no oxidante hasta 2500° - 3000°C para obtener un módulo de elasticidad mayor, a expensas de una alta resistencia a la tracción.

Los productos primarios resultantes del proceso anterior son fibras de filamentos continuos con un contenido de carbono de entre 92 y el 100%, según sean las propiedades que se persigan. Todos los demás productos, por ejemplo fibras de filamentos discontinuos, se obtienen de operaciones secundarias.Las fibras de carbono deben ser sometidas a un proceso de preparación superficial para poder ser utilizadas y mejorar la adhesión con las diferentes matrices.

Tipos de fibra de carbono

Según la temperatura del tratamiento, podemos distinguir diferentes tipos de fibra de carbono:

Fibras de alta tenacidad (HT): su resistencia y tenacidad es superior a las de las fibras de vidrio, pero inferior al resto de las fibras de carbono. Su coste es moderado, y son adecuadas en un campo de aplicación muy amplio.

Fibras de alto módulo (HM): derivadas de las demandas de alta rigidez de piezas aeroespaciales y aeronáuticas, estas fibras presentan un módulo de elasticidad muy alto. Coste elevado, bajo alargamiento a la rotura y, debido a las diferencias de potencial en contacto con los metales, pueden provocar corrosión de tipo galvánico.

Fibras de módulo intermedio (IM): solución de compromiso entre fibras HT y HM, son un tipo de fibra que mejora tanto su resistencia como su rigidez.

Aplicaciones Fibras de alta resistencia: Aplicación general en industria aeronáutica civil y parcialmente espacial y

militar, y de forma general en tejidos de refuerzo. Fibras de módulo intermedio: Utilización en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones de

alta responsabilidad estructural. Fibras de alto módulo: Aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieren muy alta

estabilidad térmica.

La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono.

La fibra de carbono tiene un gran porvenir industrial en el área aeronáutica y espacial. Sus propiedades han hecho que sea el material principal en la industria de la aeronáutica.

Cuando Boeing comenzó a emplear la fibra de carbono en su modelo 747. Tan sólo se trataba del 1% de los materiales utilizados, siendo la gran mayoría aluminio, acero y titanio. Actualmente Boeing implementa hasta un 50% de fibra de carbono en la construcción de su 787 Dreamliner implementando la mayor parte del material compuesto en el fuselaje y alas. Gracias a este material el consumo de combustible de los aviones se reduzca un 20%

En la fórmula 1 se utiliza de manera masiva, este material, ya que el chasis, mono y casco están fabricados totalmente de este material, que aparte de darle la resistencia necesaria para soportar las velocidades y aceleraciones bruscas, se hace para que en el momento del impacto este “reviente” en los extremos liberando energía y protegiendo al piloto.

Referencias• http://www.hangarcentral.com/noticias/2-artículos/266-la-fibra-de-carbono-aviación-

• http://www.bolido.com/2011/07/tecnología-la-fibra-de-carbono-

• http:// tecnología de los plásticos.blogspot.com.es/2011/11/fibra-de-carbono.html

• https:// books.google.com.mx/materiales+compuestos

• https://books.google.com.mx/books?isbn=8429148396